一种窄带隙铁电半导体纳米颗粒、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及光催化和压电催化技术领域，尤其涉及一种窄带隙铁电半导体纳米颗粒、其制备方法及应用。所述铁电半导体纳米颗粒的制备方法包括：A)将Na2CO3、物质D和硝酸混合，得到混合液；所述物质D包括M2O3和M的硝酸盐中的一种或几种；所述M选自B、Al、Ga和In中的一种；B)将所述混合液、柠檬酸和聚乙二醇混合后，经过干燥和煅烧后，得到NaMO2前驱体材料；C)将研磨后的NaMO2前驱体材料与一价金属盐混合均匀后，压制成片；D)进行烧结，得到混合物；E)与溶剂混合后，研磨，离心；F)将所述离心后的固体物质按照步骤E)重复处理，得到铁电半导体纳米颗粒。所述铁电半导体纳米颗粒可实现全光谱响应特性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种窄带隙铁电半导体纳米颗粒、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及光催化和压电催化
，尤其涉及一种窄带隙铁电半导体纳米颗粒、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着社会发展，人们对能源的需求越来越大、对环境的要求越来越高。铁电半导体是一类可以将力、热、光、电耦合于一体的材料，其中涉及的光催化技术可以将低密度太阳能转化成高密度的化学能，压电催化技术可以降低密度的机械能转化成高密度的化学能，均可分解环境中的污染物、还原环境中的重金属以及杀灭环境中的细菌与病毒，具有解决能源和环境方面的战略意义。然而，带隙较宽和极化率较低导致的光利用率低及光生载流子复合严重等因素限制了其应用，成为了这一领域的瓶颈。近年来，研究者们通过负载助催化剂、构建异质结等方法来提升载流子利用率，这些方法一定程度上促进了载流子的空间分离。然而，大多助催化剂价格昂贵，且只依赖单一因素(光或机械力)间歇性产生活性物质，也无法阻止单一材料内部电子和空穴的复合。因此，寻找价廉、高效、全天候的本征铁电半导体促进载流子的内部和空间共同分离十分重要。
[0003]纤锌矿结构具有优异的压电性。所谓压电性，即当压电晶体受到外力作用时晶体会发生形变，改变晶体的极化状态，在材料内部建立电场，这种电场可以促进载流子的迁移。所谓铁电性，即晶胞的结构使正负电荷中心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，形成极化电场，这种电场也可以促进载流子的迁移。压电体包含热释电体，热释电体包含铁电体，换句话说，铁电体一定是压电体。因此，当材料同时具有铁电体和半导体特性时，晶体中产生的极化电势对半导体光激发产生载流子传输具有一定影响，促进光生载流子的定向迁移，可以减少光生载流子的复合，提高光催化活性。
[0004]ZnO是被研究最广的具有纤锌矿结构半导体。该结构由重复的四面体单元组成，其中O
2-位于四面体顶角上，而Zn
2+
位于四面体中心，正负电荷中心在无应变条件下重叠。由ZnO衍生的纤锌矿三元氧化物β-AMO2(A＝Li、Na、K、Cs、Au、Ag、Cu，M＝B、Al、Ga、In、Zn、Cd)，相邻两层分别是A-O四面体和M-O四面体，A-O键长和M-O键长不相等，正负电荷中心发生相对位移，形成偶极矩，产生自发极化电场。同时，β-AMO2带隙在1.00-2.75eV范围内可调，具有较好的全光谱可见光吸收性能，能够充分利用太阳能。所以，纤锌矿结构的β-AMO2集铁电性和半导体性质于一身，是良好的光催化和压电催化材料。Ouyang等人(S.Ouyang,J.Ye.β-AgAl
1-x
Ga
x
O
2 Solid-Solution Photocatalysts：Continuous Modulation of Electronic Structure toward High-Performance Visible-Light Photoactivity[J].J.Am.Chem.Soc.,2011,133,7757-7763.)和Omata等人(T.Omata,H.Nagatani,I.Suzuki,M.Kita,H.Yanagi,N.Ohashi.Wurtzite CuGaO2：A New Direct and Narrow Band Gap Oxide Semiconductor Applicable as a Solar Cell Absorber[J].J.AM.Chem.Soc.,2014,136,3378-3381)在该类材料的合成方面做了研究。
[0005]然而，目前所报道的窄带隙铁电半导体，不是一种本征的材料，而大多是一种由经
典的半导体和铁电体构建的异质结构。这是因为现有的氧化物半导体大多是宽带隙半导体，带隙在3.0eV以上，仅能利用部分紫外光，无法实现全光谱响应，提高太阳光的吸收效率。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种窄带隙铁电半导体纳米颗粒、其制备方法及应用，本专利技术提供的窄带隙铁电半导体纳米颗粒可实现全光谱响应特性。
[0007]本专利技术提供了一种窄带隙铁电半导体纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
[0008]A)将Na2CO3、物质D和硝酸混合，得到混合液；所述物质D包括M2O3和M的硝酸盐中的一种或几种；所述M选自B、Al、Ga和In中的一种；
[0009]B)将所述混合液、柠檬酸和聚乙二醇混合后，得到湿凝胶，经过干燥和煅烧后，得到NaMO2前驱体材料；
[0010]C)将研磨后的所述NaMO2前驱体材料与一价金属盐混合均匀后，压制成陶瓷片；
[0011]D)将所述陶瓷片进行烧结，得到混合物；
[0012]E)将所述混合物与溶剂混合后，研磨，离心；
[0013]F)将所述离心后的固体物质按照步骤E)重复处理，得到窄带隙铁电半导体纳米颗粒。
[0014]优选的，步骤A)中，所述Na2CO3中的钠离子和物质D中的金属离子的摩尔比为1：1；
[0015]步骤B)中，所述混合液中的金属离子、柠檬酸和聚乙二醇的摩尔比为1～5：1～6：1～5；
[0016]所述煅烧在空气中进行，所述煅烧的温度为800～1100℃，煅烧的时间为3～72h。
[0017]优选的，步骤C)中，所述一价金属盐包括ANO3、ACl和NH4A中的一种或几种；所述A选自Li、Na、K、Cs、Au、Ag或Cu。
[0018]优选的，步骤D)中，所述烧结在氮气气氛或氩气气氛下进行；
[0019]所述烧结的温度为250～350℃，烧结的时间为3～72h；
[0020]将所述陶瓷片进行烧结前，还包括将所述陶瓷片升温至烧结温度；
[0021]所述陶瓷片升温至烧结温度的升温速率为1～10℃/min。
[0022]优选的，步骤E)中，所述溶剂包括甲酸、甲醇、乙醚、乙腈、乙酸乙酯、盐酸和水中的一种或几种；
[0023]步骤F)中，所述重复处理的次数为5～7次；
[0024]所述窄带隙铁电半导体纳米颗粒的粒径<1μm。
[0025]本专利技术还提供了一种上文所述制备方法制备的窄带隙铁电半导体纳米颗粒。
[0026]本专利技术还提供了一种有机污染物的处理方法，包括：
[0027]a)将铁电半导体纳米颗粒与旋涂液混合，经研磨后，得到悬浊液；所述铁电半导体纳米颗粒为上文所述的窄带隙铁电半导体纳米颗粒；
[0028]b)将所述悬浊液旋涂于衬底上，在惰性气氛中退火，得到复合物；
[0029]c)将所述复合物置于含有有机污染物的溶液中，在机械应力和/或光照的作用下，实现有机污染物的降解。
[0030]优选的，所述旋涂液包括甘油、松油醇、乙醇、聚乙炔、聚苯乙炔、聚甲基丙烯酸甲
酯和聚偏氟乙烯；
[0031]所述甘油、松油醇、乙醇、聚乙炔、聚苯乙炔、聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氟乙烯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种窄带隙铁电半导体纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：A)将Na2CO3、物质D和硝酸混合，得到混合液；所述物质D包括M2O3和M的硝酸盐中的一种或几种；所述M选自B、Al、Ga和In中的一种；B)将所述混合液、柠檬酸和聚乙二醇混合后，得到湿凝胶，经过干燥和煅烧后，得到NaMO2前驱体材料；C)将研磨后的所述NaMO2前驱体材料与一价金属盐混合均匀后，压制成陶瓷片；D)将所述陶瓷片进行烧结，得到混合物；E)将所述混合物与溶剂混合后，研磨，离心；F)将所述离心后的固体物质按照步骤E)重复处理，得到窄带隙铁电半导体纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述Na2CO3中的钠离子和物质D中的金属离子的摩尔比为1：1；步骤B)中，所述混合液中的金属离子、柠檬酸和聚乙二醇的摩尔比为1～5：1～6：1～5；所述煅烧在空气中进行，所述煅烧的温度为800～1100℃，煅烧的时间为3～72h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C)中，所述一价金属盐包括ANO3、ACl和NH4A中的一种或几种；所述A选自Li、Na、K、Cs、Au、Ag或Cu。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤D)中，所述烧结在氮气气氛或氩气气氛下进行；所述烧结的温度为250～350℃，烧结的时间为3～72h；将所述陶瓷片进行烧结前，还包括将所述陶瓷片升温至烧结温度；所述陶瓷片升温至烧结温度的升温速率为1～10℃/min。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤E)中，所述溶剂包括甲酸、甲醇、乙醚、乙腈、乙酸乙酯、盐酸和水中的一种或几种；步骤F)中，所述重复处理的次数为5～7次；所述窄带隙铁电半导体纳米颗粒的粒径<1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘孝娟，姚明彩，徐兰兰，石强，孟健，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：