二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及光催化领域，具体的说是一种二维ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂及其制备方法。该催化剂由二相杂化而成并具有以下的化学组成：ZnO/BiOBr0.9I0.1；其中0.9和0.1分别为卤素Br和I的化学计量摩尔分数；ZnO质量百分数为10～50％。该光催化剂的制备方法包括以下特征步骤：(1)二维超薄Zn5(CO3)2(OH)6片层的制备；(2)二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化光催化剂的制备。本发明专利技术提供的二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化光催化剂在户外太阳光下不但能降解有机染料而且能降解结构较稳定的有毒有机物苯酚，制备上简易且环境友好，在太阳能光催化分解有机污染物处理技术中具有潜在的应用价值。

Two dimensional ultra-thin ZnO/BiOBr

The invention relates to the field of photocatalysis, in particular to a two-dimensional ZnO/BiOBr

【技术实现步骤摘要】
二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂及其制备方法
本专利技术涉及光催化领域，具体的说是一种二维ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂及其制备方法。
技术介绍
目前，如何对环境中的污染物特别是有毒、难降解的有机污染物(如酚、农药、染料等)进行有效净化处理是人类所面临的生存与健康的重要问题之一。半导体光催化技术作为一种新型利用太阳能降解有机环境污染物的绿色环境治理技术在能源转化及环境修复应用中已经得到广泛研究。传统半导体光催化剂如TiO2和ZnO光诱导性好、矿化度高且已经被初步应用于水体中各种污染物降解。然而，它们具有较宽的带隙只能吸收太阳光中极少部分(约占4％)的紫外光，以至于其应用范围受限。因此，开发新型可见光响应的高效率光催化剂越来越受到研究人员的青睐。卤氧化铋(BiOX,X＝Cl,Br,I)是近几年被发现的一类新型光催化材料，其特有的开放式片层结构、内部电场和间接跃迁模式有利于光生空穴–电子对的有效分离和电荷转移，使得BiOX具有较高的光催化活性。其中BiOBr具有合适的禁带宽度(约2.87eV)和较高的价带顶能级电势(2.32eV),使得BiOBr在BiOX中表现出较强的可见光催化活性。但由于单种BiOBr光生电子的电势-0.55eV(近似于导带底的能级电势)低于Bi3+/Bi氧化还原电对电极电势0.308eV，其光生电子能够将BiOBr中的Bi3+还原成单质Bi，导致引起BiOBr的光腐蚀。通过掺杂形成固溶体是一种调节能带位置的有效手段。BiOBr和BiOI具有相同的晶体结构，在BiOBr中掺I极易形成BiOBrxI1-x固溶体。目前已有多篇文献报道了BiOBrxI1-x固溶体的可见光催化活性优于单一的BiOBr和BiOI[Ind.Eng.Chem.Res.,2011,50:6688–6694；Sci.Rep.,2016,6:22800,1–9；Catal.Commun.,2014,49:87–91；J.Synth.Cryst.,2015,44(9):2394–2401；一种超薄BiOBrxI1-x光催化剂及其制备方法,2016,CN105521800A]。这是因为I的掺杂降低了导带底的能级电势，避免了BiOBr的光腐蚀，有助于提高BiOBr光催化性能。然而，I的掺杂引起BiOBr禁带宽度变窄，促进光生空穴与电子的复合，又致使光催化效率下降。因此，单一固溶法提高光催化活性也是有限。为了能够避免BiOBr光腐蚀同时提高光生电子与空穴的分离，科研工作者进行了在固溶的基础上进行了复合的研究，如Graphene/BiOBr0.2I0.8(J.Hazard.Mater.,2014,266:75–83)；Au/BiOBr0.2I0.8(一种Au/BiOBr0.2I0.8可见光催化剂及其制备,CN103157495A)；Ag-BiOBrxI1-x(Appl.Surf.Sci.,2013,279:374–379)；Bi/BiOBrxI1-x(Phys.Chem.Chem.Phys.,2015,17(20):13347–13354)。这些研究都是将BiOBrxI1-x与具有优良导电性的物质进行复合，不仅避免了BiOBr的光腐蚀而且还能促进光生电子的转移从而能有效分离光生电子与空穴，光催化活性得到了进一步的提高，但离实际应用的光催化活性还有一段距离。二维超薄半导体纳米材料不但具有极大的表面积和极好的导电性而且光生电子与空穴极易被传送到表面，有望成为高活性光催化材料。鉴于此，同时为了充分利用太阳光谱能量，本专利技术以二维超薄碱式碳酸锌为前驱体，通过沉淀法与热解法相结合制备了二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化光催化剂。本专利技术的制备方法简单并且环境友好。此结构的光催化剂在可见光和户外日光下均能响应，不但能降解染料分子还能降解结构稳定的苯酚有毒有机小分子。因此，二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化光催化剂在利用太阳能光催化分解有机污染物的处理中有潜在的应用价值。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂及其制备方法。本专利技术所提供的ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化光催化剂是由二相杂化而成并具有以下的化学组成：ZnO/BiOBr0.9I0.1；其中，0.9和0.1分别为Br和I元素的化学计量摩尔分数，ZnO质量百分数为10～50％，优选为20％。该催化剂呈薄片状，厚度范围为2～8nm，其表面粗糙而且带有直径约为3～5nm圆形凹坑。本专利技术首先采用水热法制备二维超薄碱式碳酸锌[Zn5(CO3)2(OH)6]前驱体，以此为模板，再利用沉淀法合成出二维Zn5(CO3)2(OH)6/BiOBr0.9I0.1复合薄膜，接着在特定的温度下热分解制得二维ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化光催化剂。本专利技术提供一种二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂的制备方法，包括以下步骤：A二维超薄Zn5(CO3)2(OH)6片层的制备(1)将摩尔比为1:0.1:4的二水醋酸锌、十六烷基三甲基溴化铵、尿素依次溶于去离子水中，制备得到醋酸锌浓度为10-3～10-1M的混合溶液；(2)将上述混合溶液转入高压反应釜的内衬中，封装后置于鼓风干燥箱中80℃恒温4h，再升到120℃恒温3小时进行水热反应，得到二维超薄Zn5(CO3)2(OH)6前驱体；(3)将该前驱体分别经过乙醇及去离子水洗涤后离心待用；B二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化光催化剂的制备(1)将前驱体分散到去离子水中，根据最终产物中ZnO质量百分数为10％～50％，加入摩尔比为9:1的NaBr与KI的混合物，在磁力搅拌下进行溶解并与模板进行静电吸附；(2)以乙二醇为溶剂，得到浓度为7.0g/L的硝酸铋溶液；(3)将步骤(2)制得的硝酸铋溶液逐滴加入到步骤(1)的体系中，使铋元素和卤元素(包括Br和I)的摩尔比为1:5，之后于50～60℃水浴1～2h得到Zn5(CO3)2(OH)6/BiOBr0.9I0.1复合物；(4)将步骤(3)得到复合物经过去离子水洗涤，离心，干燥得到初产物；接着，将初产物置于马弗炉中以3℃/min速率升温到300℃，保温2h后，自然冷却至室温，得到二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂。相对于目前的BiOBrxI1-x固溶材料及金属/BiOBrxI1-x复合材料，二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化结构材料作为光催化剂具有以下优势：(1)二维超薄杂化结构不但因表面存在结区与非结区电势差能趋势光生电子与空穴的分离，而且因表面积大且表面粗糙不仅利于入射光的吸收也有利于反应物在光催化材料表面的吸附。(2)二维ZnO/BiOB0.9I0.1杂化结构具有很强的光催化降解能力，在户外太阳光下不但能降解有机染料而且能降解结构较稳定的有毒有机物苯酚。(3)本专利技术的制备方法不但成本低廉，生产工序简易又环保，而且可以根据光催化需求调控二维杂化结构的组分与厚度尺寸大小。由此可见，本专利技术提供的一种二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化光催化剂表现出较好的户外太阳光催化性能，制备上简易且环境友好，在太阳能光催化分解有机污染物处理技术中具有潜在的应用价值。本文档来自技高网...

【技术保护点】
二维超薄ZnO/BiOBr

【技术特征摘要】
1.二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂，其特征在于，该催化剂由二相杂化而成并具有以下的化学组成：ZnO/BiOBr0.9I0.1；其中，0.9和0.1分别为Br和I的化学计量摩尔分数，ZnO质量百分数为10～50％。2.如权利要求1所述的二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂，其特征在于，所述催化剂呈厚度为2～8nm的薄片。3.二维超薄ZnO/BiOBr0.9I0.1杂化日光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A二维超薄Zn5(CO3)2(OH)6片层的制备(1)将摩尔比为1:0.1:4的二水醋酸锌、十六烷基三甲基溴化铵、尿素依次溶于去离子水中，制备得到醋酸锌浓度为10-3～10-1M的混合溶液；(2)将上述混合溶液转入高压反应釜的内衬中，封装后置于鼓风干燥箱中80℃恒温4h，再升到120℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：童艳花，郎文静，郑楚，黄瑜杰，
申请(专利权)人：湖州师范学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33