碳掺杂超薄钨酸铋纳米片光催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及碳掺杂超薄钨酸铋纳米片光催化材料及其制备方法。碳掺杂改性的超薄钨酸铋纳米片光催化材料，其特征在于：掺杂有碳，由有一定程度弯曲团聚的超薄片状钨酸铋纳米片堆积而成。本发明专利技术提供的新型可见光响应碳掺杂超薄钨酸铋纳米片光催化材料为片状结构，具有更多的活性位点和高比表面积，CO2捕获能力、可见光响应和电荷转移能力优异，光生电子‑空穴对复合效率低，太阳能利用率大大提高，用于CO2光催化还原，可明显提高其光催化还原CO2活性。

Carbon doped ultrathin bismuth tungstate nano plate photocatalysis material and preparation method thereof

The invention relates to a carbon doped ultrathin bismuth tungstate nano plate photocatalytic material and a preparation method thereof. The invention relates to a carbon doped modified ultrathin bismuth tungstate nanometer piece photocatalysis material, which is characterized in that the carbon doped with the carbon is formed by the accumulation of ultra-thin flaky bismuth tungstate nano flakes with a certain degree of bending and reunion. The present invention provides a new visible light response of ultrathin carbon doped bismuth tungstate nano film photocatalytic materials for sheet structure, with more active sites and high specific surface area, CO2 capture ability, visible light response and charge transfer ability is excellent, the photogenerated electron hole pairs of composite low efficiency, greatly improve the utilization rate of solar energy, light for CO2 catalytic reduction, can significantly improve the photocatalytic reduction of CO2 activity.

【技术实现步骤摘要】
碳掺杂超薄钨酸铋纳米片光催化材料及其制备方法
本专利技术涉及二维材料制备和能源环境
，具体的是涉及碳掺杂的超薄钨酸铋纳米片光催化材料及其制备方法。
技术介绍
目前，化石燃料占全球能源来源的80％以上，并且它的持续使用会导致地球大气中二氧化碳水平的持续上升，为实现经济和社会的可持续发展，我们急需寻找新的清洁能源，而人工光合作用，能够在室温和常压下，在光照的作用下通过光催化剂直接将水和CO2转换为可再生的烃类清洁燃料，被认为是一种最有前途的和令人信服的解决能源和环境问题的方法。许多光催化，诸如TiO2，ZnO，CdS等半导体已经被应用于研究光催化还原CO2领域。在过去的几十年里，Bi2WO6因其特殊的层状结构良好的化学和热稳定性以及良好的光电性能，作为一种光催化剂，被广泛的应用于染料，酚类等有机污染物的降解研究，在最近几年的研究中，由于钨酸铋具有更负的可用于还原CO2的导带位置，研究人员开始将其应用于CO2还原的研究中，并取得一定成功。尽管钨酸铋具有这些优点，但是还是存在CO2光催化还原效率低下的问题，这主要是由于其低导电性和很低的暴露面活性位点。因此，制备具有丰富活性位点和良好的导电性的半导体光催化剂，能够理想地和有效地将CO2还原为烃类清洁燃料，是一种非常可行的途径。二维材料因具有很大的比表面积和丰富的活性位点以及良好的导电性，被广泛用于光催化研究，因此将材料向着二维方向制备是一种很好的提高材料光催化性能的途径。在光催化材料改性制备的众多途径中，对半导体材料进行掺杂，增加材料光响应范围，提高材料的太阳光利用率，降低半导体材料的光生电子/空穴对的复合效率，是重要的光催化材料改性技术。
技术实现思路
本专利技术提供了一种碳掺杂的超薄钨酸铋纳米片光催化材料及其制备方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：碳掺杂改性的超薄钨酸铋纳米片光催化材料，其掺杂有碳，由有一定程度弯曲团聚的超薄片状钨酸铋纳米片堆积而成。按上述方案，钨酸铋纳米片的片状尺寸为1-2μm左右。碳掺杂改性的超薄钨酸铋纳米片光催化材料的制备方法，包括有以下步骤:1)将Na2WO4和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶于蒸馏水中形成均匀溶液；2)将Bi(NO3)3粉末倒入步骤1)所得溶液中，快速搅拌直到溶液变为乳白色，将所得到的溶液水热反应，所得沉淀后处理得到超薄钨酸铋纳米片；3)将步骤2)所得到的含残余CTAB的超薄钨酸铋纳米片置于管式炉中在缺氧或无氧条件热处理，即得到碳掺杂的超薄钨酸铋纳米片光催化材料。按上述方案，水热反应体系中CTAB的浓度为0.5-0.7mg/mL。按上述方案，步骤1)所述的CTAB：W的摩尔比为0.8-1.2:7。按上述方案，步骤2)所述的搅拌时间为1h以上。按上述方案，步骤2)所述的W：Bi的摩尔比为1:2。按上述方案，步骤2)所述的后处理为使用水和乙醇洗涤3次，过滤和干燥。按上述方案，步骤2)所述的水热反应温度为110-130℃，反应时间为20-24h。按上述方案，步骤3)的热处理为N2气氛下热处理，热处理温度为300-400℃，热处理时间1-2h。本专利技术提出在有机长碳链物质的作用下，在水热反应时将长碳链插入钨酸铋分子的层与层之间，制备出超薄钨酸铋纳米片光催化材料，再在缺氧或无氧环境下，对所得样品进行热处理将长碳链碳化实现碳掺杂，以获得碳掺杂的超薄钨酸铋纳米片光催化材料，为进一步制备高活性和稳定的钨酸铋改性光催化剂提供了新的思路。其合成的基本原理是：2Bi(NO3)3(s)+WO42-(aq)+2H2O(l)→Bi2WO6(s)+4H+(aq)+6NO3-(aq)。本专利技术提供的碳掺杂改性的超薄钨酸铋纳米片光催化材料，通过碳掺杂提供电子受体，能有效地转移光生电子，降低电子-空穴的复合效率，并且由于碳的掺杂会使得钨酸铋晶体产生缺陷，形成杂质能级能够提高钨酸铋的光吸收性能，提高样品的可见光响应。同时，由于其超薄二维纳米片结构，具有很大的比表面积，能够提供更多的光催化活性位点，提高导电性，有效地增强对CO2的捕获能力，进而可综合提高光催化剂的CO2还原光催化活性，实现钨酸铋光催化效率的提高，提高了太阳能的利用效率。钨酸铋光催化还原CO2的机理为：在模拟太阳光的照射下，Bi2WO6的价带电子被激发跃迁到导带，在价带处产生光生空穴。一般情况下，光生电子-空穴对会很快复合，只有小部分载流子会参与到光催化还原反应，在进行碳掺杂之后，引入杂质能级，并且引入的碳具有吸引电子的作用，钨酸铋导带上的光生电子会很快的转移到碳上面，大大降低光生电子-空穴对的复合几率，从而明显提高其光催化还原CO2活性。本专利技术的特点在于：1)本专利技术制备工艺简单，反应条件温和，制备出的光催化剂粉体稳定性好，易储存。是一种快捷，经济，方便的光催化材料的合成方法2)本专利技术的原料制备过程，具有简易环保无污染的特点，是一种绿色的制备方法。3)本专利技术提供的新型可见光响应碳掺杂超薄钨酸铋纳米片光催化材料为片状结构，具有更多的活性位点和高比表面积，CO2捕获能力、可见光响应和电荷转移能力优异，光生电子-空穴对复合效率低，太阳能利用率大大提高，用于CO2光催化还原，可明显提高其光催化还原CO2活性。4)本专利技术所制备光催化材料中纳米片分散均匀，在光催化、电化学、能源、及环境等领域具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术不同实施例制备的光催化材料的扫描电子显微镜照片。图2为本专利技术不同实施例制备的光催化材料的透射电子显微镜照片。图3为本专利技术不同实施例制备的光催化材料的XRD图谱图4为本专利技术不同实施例制备的光催化材料的荧光光谱图图5为本专利技术不同实施例制备的光催化材料的紫外可见漫反射图谱图6为本专利技术不同实施例制备的光催化剂的比表面积图谱。图7为本专利技术不同实施例制备的光催化剂的CO2吸附图谱。图8为本专利技术不同实施例制备的光催化剂的光催化还原CO2速率对比图图9为本专利技术不同实施例制备的光催化剂的光电流对比图具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1：碳掺杂的超薄钨酸铋纳米片光催化材料的合成过程如下：1)将Na2WO4，一定量的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶于蒸馏水中形成均匀溶液，其中CTAB浓度为0.625mg/mL；2)将Bi(NO3)3粉末倒入步骤1)所得溶液中，快速搅拌1h以上，直到溶液变为乳白色，其中CTAB：W：Bi的摩尔比为1:7:14，将所得到溶液倒入50ml聚四氟乙烯反应釜中于120℃反应24h，所得沉淀使用水和乙醇洗涤3次，过滤和干燥，得到超薄钨酸铋纳米片光催化材料；3)将步骤2)所得到的含残余CTAB的超薄钨酸铋纳米片置于管式炉中在N2气氛下350℃热处理1h，即得到碳掺杂的超薄钨酸铋纳米片光催化材料。其FESEM图如图1所示，TEM图如图2所示，由图1，图2可知，钨酸铋为超薄片状结构，其片状尺寸为1μm左右，并有一定程度的弯曲团聚，主要由超薄片状结构在煅烧掺杂过程中热处理导致，Bi2WO6纳米片堆积在一起，形成了介孔和大孔。CHNSO元素分析仪测定煅烧样品中碳含量：0.46％，证明样品中存在碳元素。碳掺杂超薄钨酸铋纳米片光催化材料的XRD图谱如图3所示，结果显示各衍射峰的位置与PDF卡片编号JCPDSNO.73本文档来自技高网...

【技术保护点】
碳掺杂改性的超薄钨酸铋纳米片光催化材料，其特征在于：掺杂有碳，由有一定程度弯曲团聚的超薄片状钨酸铋纳米片堆积而成。

【技术特征摘要】
1.碳掺杂改性的超薄钨酸铋纳米片光催化材料，其特征在于：掺杂有碳，由有一定程度弯曲团聚的超薄片状钨酸铋纳米片堆积而成。2.根据权利要求1所述的碳掺杂改性的超薄钨酸铋纳米片光催化材料，其特征在于：钨酸铋纳米片的片状尺寸为1-2μm左右。3.权利要求1所述的碳掺杂改性的超薄钨酸铋纳米片光催化材料的制备方法，其特征在于：包括有以下步骤：1)将Na2WO4和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶于蒸馏水中形成均匀溶液；2)将Bi(NO3)3粉末倒入步骤1)所得溶液中，快速搅拌直到溶液变为乳白色，将所得到的溶液水热反应，所得沉淀后处理得到超薄钨酸铋纳米片；3)将步骤2)所得到的含残余CTAB的超薄钨酸铋纳米片置于管式炉中在缺氧或无氧条件热处理，即得到碳掺杂的超薄钨酸铋纳米片光催化材料。4.根据权利要求3所述的碳掺杂改性的超薄钨酸铋纳米片光催化材料的制备方法，其特征在于：水热反应体系中CTAB的浓度为0.5-0.7mg/mL。5.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹少文，张军超，余家国，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42