硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料、制备方法及应用，该异质结复合材料的制备方法为：先利用水热法制备TiO2纳米棒薄膜；然后配制BiVO4前躯体溶液；之后利用水热法制备BiVO4/TiO2中间产物；再配制硫脲溶液；最后利用水热制备Bi2S3/BiVO4/TiO2异质结复合材料。得到的复合材料可以有效提高半导体材料的光吸收性能，在可见光区域可以有效吸收，提高对太阳光的利用率。提高对太阳光的利用率。提高对太阳光的利用率。

【技术实现步骤摘要】
硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及半导体材料制备领域，具体的说是硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]薄膜太阳能电池具有环境友好、寿命长、制作简单、操作安全、生产成本低等优点，薄膜太阳能电池的核心部分就是光阳极。n型半导体TiO2就是众多光阳极材料的一种，其成本不太高，在受热条件下也能保持较好的稳定性，因此目前经常被应用于光阳极复合材料的制备与改性中。自然界存在的TiO2晶型结构包括金红石型结构(Rutile,带隙宽度3.0eV)、锐钛矿型结构(Anatase带隙宽度3.2eV)和板钛矿结构(Brookite)。金红石型和锐钛矿型的TiO2都不具有可见光响应，这极大的降低了TiO2对太阳光的利用率。不仅如此，普通的TiO2存在着仅受紫外激发、光生电子
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空穴复合速率高以及寿命较短等缺陷，难以进行大规模的实际应用。
[0003]目前关于硫化铋/二氧化钛二元异质结和钒酸铋/二氧化钛二元异质结的研究较多，现有技术制备的硫化铋/二氧化钛二元异质结复合材料两种材料之间的界面往往存在缺陷，影响材料的性能和稳定性。另外硫化铋/二氧化钛二元异质结还存在电子
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空穴复合率高、电子传输效率不高等缺点，限制了其应用；钒酸铋与二氧化钛复合形成异质结，为扩大可见光的吸收和促进电子
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空穴对的分离，提供了一种有效的方法。但是，由于钒酸铋的导带电位较低，传统的II型电子传输路径即电子从二氧化钛的导带转移到钒酸铋的导带，大大限制了光生电子的还原活性，从而影响了光催化效率。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的不足，本专利技术提供一种硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料、制备方法及应用，得到的复合材料可以有效提高半导体材料的光吸收性能，在可见光区域可以有效吸收，提高对太阳光的利用率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料的制备方法，主要包括如下步骤：(1)、利用水热法制备TiO2纳米棒薄膜；(2)、配制BiVO4前躯体溶液；(3)、利用水热法制备BiVO4/TiO2中间产物；(4)、配制硫脲溶液；(5)、利用水热制备Bi2S3/BiVO4/TiO2异质结复合材料。
[0006]作为优选方案，步骤(1)中，制备TiO2纳米棒薄膜的具体方法为：将浓盐酸和去离子水按照1∶1的体积比混合均匀，然后用移液枪将0.4～0.6mL钛酸丁酯逐滴加入，搅拌混合均匀，得到TiO2前驱体溶液；将配制好的TiO2前驱体溶液转移至反应釜内衬中，将FTO导电玻璃倾斜放入反应釜中，在150℃恒温条件下保温12h；然后将导电玻璃取出、冲洗、干燥，即在
导电玻璃上生长出TiO2纳米棒薄膜。
[0007]作为优选方案，步骤(2)中，配制BiVO4前驱体溶液的具体方法为：将2～4mmol的硝酸铋溶于25ml乙二醇中，得到硝酸铋溶液；将2～4mmol的偏钒酸铵溶于15ml热的去离子水得到偏钒酸铵溶液；然后将偏钒酸铵溶液加入到硝酸铋溶液中搅拌混合均匀，即得到BiVO4前驱体溶液。
[0008]作为优选方案，步骤(3)中，制备BiVO4/TiO2中间产物的方法为：将生长有TiO2纳米棒薄膜的导电玻璃倾斜放入装有BiVO4前躯体溶液的反应釜中，于100～140℃下水热生长8～12h，然后将导电玻璃取出、冲洗、干燥、退火，即在导电玻璃上生长出BiVO4/TiO2中间产物。
[0009]作为优选方案，导电玻璃及其上的水热产物冲洗干燥后，于400～450℃的温度下退火处理50～70min。
[0010]作为优选方案，步骤(4)中，配制硫脲溶液的具体方法为：将0.5～1.5mmol硫脲溶于35ml去离子水中，搅拌均匀即得到硫脲溶液。
[0011]作为优选方案，步骤(5)中，制备Bi2S3/BiVO4/TiO2异质结复合材料的方法为：将生长有BiVO4/TiO2中间产物的导电玻璃倾斜放入装有硫脲溶液的反应釜中，于160～180℃下水热生长4～6h，然后将导电玻璃取出、冲洗、干燥，即在导电玻璃上生长出Bi2S3/BiVO4/TiO2异质结复合材料。
[0012]硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料，其特征在于，其是利用上述的方法制备的。
[0013]上述的硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料在染料敏化太阳能电池、光催化降解污染物以及光解水领域中应用。
[0014]BiVO4是一种亮黄色拥有良好的可见光驱动活性的n型窄带隙半导体。具有良好的导电性、稳定的化学性质、合适的带隙值、无毒无害、低成本和易得性使BiVO4成为优秀的光敏剂，BiVO4与TiO2的复合形成异质结，可以增加材料对可见光的吸收，同时促进电子
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空穴对的分离。
[0015]Bi2S3禁带宽度窄(1.2～1.7eV)，可吸收光范围覆盖可见光，与BiVO4/TiO2中间产物复合形成Bi2S3/BiVO4/TiO2三元异质结复合材料可以有效降低半导体材料的禁带宽度，从而有效提高半导体材料的光吸收性能，从而使复合材料在可见光区域可以有效吸收，提高对太阳光的利用率。
[0016]本专利技术采用钛酸丁酯(C
16
H
36
O4Ti)用作Ti
4+
的前体和来源，浓盐酸(HCl)调节水热反应酸性环境，硝酸铋[Bi(NO3)3·
5H2O]和偏钒酸铵(NH4VO3)用作步骤(2)中BiVO4前驱体溶液的前体和来源，乙二醇和热的去离子水分别作为步骤(2)中硝酸铋和偏钒酸铵的溶剂，硫脲(CH4N2S)用作步骤(4)中S2‑
的前体和来源，使用硫脲作为硫源通过原位转换的方法水热生长Bi2S3。
[0017]有益效果：(1)本专利技术采用三步水热法制备而得，相比于溶胶凝胶法和连续离子层吸附法，水热法反应时间较短，制备较为简单，需要的反应环境简单，反应条件易于控制，且制备出的异质结颗粒较大易于表征。首先，通过一步水热法合成TiO2，在导电玻璃上生成形貌良好的一维TiO2纳米棒阵列薄膜；接着以硝酸铋的乙二醇溶液和偏钒酸铵水溶液混合作为反应前
驱体液通过二次水热制备BiVO4/TiO2中间产物，BiVO4与TiO2的复合形成异质结，扩大了材料对可见光的吸收和促进了电子
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空穴对的分离，最后再通过水热法以添加硫源原位转化的方式制得Bi2S3/BiVO4/TiO2异质结复合材料。本专利技术是一种硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料的制备方法，通过将宽带隙半导体TiO2与具有较窄带隙的BiVO4形成异质结复合材料，缩小了材料的带隙宽度，促进了电子
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空穴对的分离；在BiVO4/TiO2中间产物的基础上再复合禁带宽度更窄的Bi2S3，得到的Bi2S3/BiVO4/TiO2异质结复合材料可以有效提高半导体材料的光吸收性能，在可见光区域可以有效吸收，提高对太阳光的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：（1）、利用水热法制备TiO2纳米棒薄膜；（2）、配制BiVO4前躯体溶液；（3）、利用水热法制备BiVO4/TiO2中间产物；（4）、配制硫脲溶液；（5）、利用水热制备Bi2S3/BiVO4/TiO2异质结复合材料。2.如权利要求1所述的硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，制备TiO2纳米棒薄膜的具体方法为：将浓盐酸和去离子水按照1∶1的体积比混合均匀，然后用移液枪将0.4~0.6 mL钛酸丁酯逐滴加入，搅拌混合均匀，得到TiO2前驱体溶液；将配制好的TiO2前驱体溶液转移至反应釜内衬中，将FTO导电玻璃倾斜放入反应釜中，在150℃恒温条件下保温12h；然后将导电玻璃取出、冲洗、干燥，即在导电玻璃上生长出TiO2纳米棒薄膜。3.如权利要求2所述的硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，配制BiVO4前驱体溶液的具体方法为：将2~4mmol的硝酸铋溶于25ml乙二醇中，得到硝酸铋溶液；将2~4mmol的偏钒酸铵溶于15ml热的去离子水得到偏钒酸铵溶液；然后将偏钒酸铵溶液加入到硝酸铋溶液中搅拌混合均匀，即得到BiVO4前驱体溶液。4.如权利要求3所述的硫化铋/钒酸铋/二氧化钛异质结复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，制备BiVO4/TiO2中间产...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新利，王坤杰，王莎，马景洋，毛志平，于仁红，李丽华，顾永军，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：