一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂及其制备方法与应用，该类催化剂可以解决传统光催化剂中存在的金属污染、高生产成本、光能利用率低、载流子复合率高等技术问题，其结构合理可靠，既能明显提高可见光吸收率，减少光生载流子的复合，又能不产生金属污染，是一种环境友好的全新光解水催化剂。其为三维双螺旋网状结构，结构上属于P2/c(α＝90°，β>90°，γ＝90°)空间群，由两个一维双螺旋分子链通过范德华力相互连接而成；每个一维双螺旋分子链均包含21个原子，其分子式为(XYP)

Environmental protection inorganic non-metallic double helix structured photocatalyst and preparation method and application thereof

The invention discloses an environment-friendly inorganic non metal double helix structure light catalyst and preparation method and application thereof, the catalyst can solve the metal pollution, the existence of traditional photocatalyst in high production cost and low light efficiency, high rate of recombination technology, its structure is reasonable and reliable, which can significantly improve the visible light absorption rate, reduce the recombination of photogenerated charge carriers and can not produce metal pollution, is a new environmentally friendly water splitting catalyst. The double helix structure of three-dimensional reticular structure, belongs to the P2/c (alpha = 90 DEG, 90 DEG, beta > gamma = 90 DEG) space group, composed of two 1D double helical chains through Vander Ed Ley connected together; each 1D double helical chain contains 21 atoms, its molecular formula is (XYP)

【技术实现步骤摘要】
一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂及其制备方法与应用
本专利技术涉及环境污染治理和清洁能源
，具体涉及一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
目前，能源短缺和环境污染成为人们急需解决的重大问题。开发和利用新型清洁能源势在必行。半导体光催化技术可以利用太阳光能分解水产生氢气，还原二氧化碳和降解有机污染物等，为解决能源短缺和环境污染问题提供了一条重要途径。光催化过程可以分为三个主要步骤。首先，半导体价带上的电子受能量大于其带隙的光激发产生光生载流子；其次，光生载流子从半导体的内部向表面迁移；最后，光生载流子在半导体表面参与氧化还原反应。经过近几十年的发展，光催化技术取得了很大进展，但目前光催化材料的催化活性仍然较低。有两个主要原因，一方面是传统光催化材料二氧化钛(TiO2)只能吸收约占太阳能4％左右的紫外光，而占太阳能53％的可见光和43％的近红外光不能被吸收和利用。另一方面，光生载流子在迁移过程中，大量的载流子在半导体的内部或表面发生复合，导致这些材料的量子效率很低。因此，人们采用各种不同的方法提高光催化材料的光吸收和量子效率。开发和发展新型光催化材料实现光催化技术的应用。综上所述，现有技术中由于现有的金属或者金属修饰的半导体光催化剂可能造成环境的二次污染，同时繁杂的生产工艺产生更高的生产成本；而且传统光催化剂的电子和空穴的迁移率相差小使得光生载流子复合几率增大，大大降低了其光能的利用效率。以上技术问题尚缺乏有效的解决方法。
技术实现思路
为了上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂，该类催化剂可以解决传统光催化剂中存在的金属污染、高生产成本、光能利用率低、载流子复合率高等技术问题，其结构合理可靠，既能明显提高可见光吸收率，减少光生载流子的复合，又能不产生金属污染，是一种环境友好的全新光解水催化剂。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂，为三维双螺旋网状结构，结构上属于P2/c(α＝90°，β>90°，γ＝90°)空间群，由两个一维双螺旋分子链通过范德华力相互连接而成；每个一维双螺旋分子链均包含21个原子，其分子式为(XYP)7，由两个螺旋分子单链嵌套而成，内部的是由磷原子连接而成的[P]7螺旋分子单链，外部是[XY]7螺旋分子单链；其中，X为第四主族的硅、锗或锡元素，Y为第七主族的氯、溴或碘元素，同一螺旋分子单链中相邻两个原子之间通过共价键连接。进一步的，所述[P]7螺旋分子单链的螺旋直径为螺距为倾斜角为0°。进一步的，所述[XY]7螺旋分子单链的螺旋直径为螺距为倾斜角为0°。进一步的，所述环保无机非金属双螺旋结构光催化剂的晶格的三组晶格参数分别为：a，b，c，进一步的，所述环保无机非金属双螺旋结构光催化剂中，P-P键的平均键长为X-Y键的平均键长为进一步的，所述一维双螺旋分子链的长度为P-P键的平均键长为X-Y键的平均键长为结合能为15.4-29.6kJ/mol。进一步的，所述一维双螺旋分子链的带隙为1.7-3.2eV。为了解决上述现有技术中存在的不足，本专利技术还提供了上述环保无机非金属双螺旋结构光催化剂的制备方法，包括如下步骤：将X单质、Y盐和红磷的粉末混合物压制成颗粒，并且在真空环境下密封在石英玻璃安瓿中，将安瓿置于马沸炉中，使原料处于温度为600-700K的热区中反应，冷却，然后经过热处理，即得。以XYP双螺旋无机光催化剂中的SnIP为例，可以将锡、SnI4和红磷的粉末的混合物高压压制成颗粒，并且在真空环境下密封在石英玻璃安瓿中。将安瓿置于NABERTHERM马沸炉中，使原料处于温度为673K的热区中。等待熔体在75小时的时间内以5K/h的速度冷却为室温。随后，通过将熔体加热至923K紧接着以2K/h的冷却速度降温至773K(持续时间为15小时)并且以1K/h的冷却速度降至室温，即可获得双螺旋无机材料SnIP的单晶结构。此外纳米结构形态的SnIP可以通过胶带(Lensguard7568byNITTO)机械剥离或者氯仿、N-甲基-2-吡咯烷酮或甲苯等化学溶剂方法剥离。为了解决上述现有技术中存在的不足，本专利技术还提供了上述环保无机非金属双螺旋结构光催化剂在催化光解水中的应用。并且经过试验证明本专利技术中的无机非金属双螺旋结构光催化剂具有高载流子迁移率的半导体特性，因此可以应用在高速纳米电子器件领域。本专利技术的有益技术效果为：这一系列双螺旋结构材料是由无机非金属主族元素组成，完全避免了光催化过程中存在的重金属二次污染和有机材料的污染情况；这种特殊的复式弹簧双螺旋的疏松多孔结构材料具有较大的比表面积，作为光催化剂与水的接触面增大；并且这类材料具有适合于光解水的能带结构；同时，这类材料本身的电子和空穴具有悬殊的载流子迁移率相差大，有效改善了现有光催化材料光生载流子易复合的缺点。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术的双螺旋结构光催化剂的原胞的结构示意图；其中，(a)为沿x方向的结构示意图，(b)为沿y方向的结构示意图，(c)为沿z方向的结构示意图，(d)为三维XYP结构框架的整体形貌图，(e)为沿着x方向的局域电荷密度图，(f)为(b)中阴影i部分P-P-P平面和ii部分P-Sn-P平面的局域电荷密度图；图2为一维双螺旋XYP结构的能带带边与光解水的氧化还原电位之间的相对位置示意图；图3为不同光催化剂的导带和价带以及总能，以及相应的拟合线相分别对与施加应力的变化图，其中，(a)为SiIP，(b)为GeIP，(c)为SnIP；图4为一维双螺旋XYP体系的电子态密度分布。已经价带边(左)和导带边(右)的部分电荷密度分布。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。专利技术人在理论上首次提出这种无机非金属类“DNA”材料SnIP，其可以作为优良的光催化剂应用在光解水反应中。并且，专利技术人提出了与SnIP结构相似的同主族元素构成的无机非金属类“DNA”材料XYP，其中X代表第四主族的硅(Si)、锗(Ge)或锡(Sn)元素，Y代表第七主族的氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)元素均具有良好的光解水性能。本理论设计的目的是为实验设计和预测能克服传统光催化剂存在的问题，进而解决传统光催化剂中存在的金属污染、高生产成本、光能利用率低、载流子复合率高等缺点的有效光催化材料。我们以第一性原理计算为基础从理论上预测出这类材料构建了一类结构合理可靠，既能明显提高可见光吸收率，减少光生载流子的复合，又能不产生金属污染和对环境友好的全新光解水催化剂，同时在理论上解释表征其功能。本设计的理论计算是基于密度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂，其特征在于：其为三维双螺旋网状结构，结构上属于P2/c(α＝90°，β>90°，γ＝90°)空间群，由两个一维双螺旋分子链通过范德华力相互连接而成；每个一维双螺旋分子链均包含21个原子，其分子式为(XYP)

【技术特征摘要】
1.一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂，其特征在于：其为三维双螺旋网状结构，结构上属于P2/c(α＝90°，β>90°，γ＝90°)空间群，由两个一维双螺旋分子链通过范德华力相互连接而成；每个一维双螺旋分子链均包含21个原子，其分子式为(XYP)7，由两个螺旋分子单链嵌套而成，内部的是由磷原子连接而成的[P]7螺旋分子单链，外部是[XY]7螺旋分子单链；其中，X为第四主族的硅、锗或锡元素，Y为第七主族的氯、溴或碘元素，同一螺旋分子单链中相邻两个原子之间通过共价键连接。2.根据权利要求1所述的光催化剂，其特征在于：所述[P]7螺旋分子单链的螺旋直径为螺距为倾斜角为0°。3.根据权利要求1所述的光催化剂，其特征在于：所述[XY]7螺旋分子单链的螺旋直径为螺距为倾斜角为0°。4.根据权利要求1所述的光催化剂，其特征在于：所述环保无机非金属双螺旋结构光催化剂的晶格的三组晶格参数分别为...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴瑛，李新茹，李蒙蒙，俞琳，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37