一种铁电BaTiO3半导体复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铁电BaTiO3(BTO)半导体复合材料的制备方法，包括利用丁基二硫代氨基甲酸溶液法制备CuPbSbS3(CPSS)前驱体溶液；对CPSS前驱体溶液进行干燥研磨，高温退火后冷却至室温获得CPSS纳米薄片；量取氯化钡水溶液和四氯化钛水溶液混合获得Ba

【技术实现步骤摘要】
一种铁电BaTiO3半导体复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及半导体光催化剂
，尤其涉及一种铁电BaTiO3半导体复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在能源危机与环境危机日益严重的背景下，如何高效的处理环境污染物以及发展新能源成为如今亟需解决的问题。光催化技术成为解决环境问题最有效的方法之一，光催化降解有机污染物具有成本低、响应快、无二次污染的特点，已经引起了广泛的关注。
[0003]目前研究比较广泛的光催化剂代表有二氧化钛(TiO2)，氧化锌(ZnO)，硫化镉(CdS)，氧化铋(Bi2O3)和氧化钨(WO3)等，但由于其电子和空穴的复合速度太快，使得参与光催化的活性载流子大大减少，结果使光催化能力的效率降低。近年来发展的半导体异质结恰好可以解决这个问题，当两个或者两个以上的半导体结合成为异质结的时候，由于不同半导体的能带的能级位置有差别，形成的异质结光催化材料的禁带宽度被缩窄，大大增加光吸收的范围并提高光吸收效率。比如中国专利CN202210253253.4一种BiOCl及其多相复合半导体材料的制备方法与应用，该材料以硝酸铋和钴、铁、铝、钛、镍、铟、锰、铜、镁、锑元素的金属氯化物通过物理球磨的方法制得，再通过离心收集沉淀产物，获得单相的BiOCl材料或者BiOCl基多相复合材料。该类材料拥有独特的层状结构和异质结特征，以及层内强共价键和层间弱范德华相互作用的特点，通过物理球磨法制得的BiOCl及其多相复合半导体材料有优异的电化学储钾性能和光催化降解有机污染物的性能。<br/>[0004]但现有的绝大部分半导体光催化剂一方面因能带过大，导致对可见光范围的吸收极低，再加上光催电子
‑
空穴的分离效率低，复合速率快，载流子寿命较短等原因，严重限制了其光催化效率。而压电/铁电材料因其自发极化形成的内建电场可以有效驱动光生电子和空穴的分离，为开发高效光催化剂提供了新途径。然而，传统的压电/铁电材料一方面通常具有较大的禁带宽度(大于3eV)，限制了其对太阳光谱的充分利用；另一方面针对能带极窄的半导体，通常因为光腐蚀严重，当半导体暴露在光照下时，容易与溶液内的溶解氧接触并发生化学反应，使半导体材料氧化腐蚀并产生其他氧化物，从而降低纯度甚至失去催化活性。因此在一定程度上还不能达到商业化应用需求，再者，目前利用太阳能生产清洁水和光催化降解无法协同耦合发生，尚无界面光热蒸发协同压电
‑
光催化一体化器件，抑或存在成本高和无法大规模生产等问题。
[0005]因此，制备钙钛矿铁电BaTiO3异质结半导体复合材料以实现超快光热蒸发协同高效压电
‑
光催化降解有机污染物迫在眉睫。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种铁电BaTiO3半导体复合材料，解决现有半导体光催化材料存在的光吸收效率低和光生载流子分离效率低问题。
[0007]本专利技术采用一种铁电BaTiO3半导体复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S101：利用丁基二硫代氨基甲酸溶液法制备CPSS前驱体溶液，所述CPSS前驱体溶液由Cu
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S、Pb
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S和Sb
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S前驱体溶液混匀制备而得；
[0009]S102：对CPSS前驱体溶液进行干燥研磨后以10℃/min的升温速率升高至500℃退火40min，自然冷却至室温获得CPSS纳米薄片；
[0010]S103：量取氯化钡水溶液和四氯化钛水溶液混合获得Ba
‑
Ti水溶液，后依次加入NaOH水溶液、乙二醇和水获得BaTiO3前驱体溶液；
[0011]S104：称取步骤S102的CPSS纳米薄片加入S103步骤中的BaTiO3前驱体溶液中搅拌均匀，再利用水热法加热，离心、洗涤及干燥获得铁电BaTiO3半导体复合材料。
[0012]优选地，S101步骤中，称取0.5723g氧化亚铜、0.6696g氧化铅和1.166g三氧化二锑分别加入各含有5mL二硫化碳和8mL无水乙醇的三组混合溶液中，随后逐滴向上述三组混合溶液中各滴加8mL正丁胺并搅拌2h，分别获得Cu
‑
S、Pb
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S和Sb
‑
S前驱体溶液。
[0013]优选地，S101步骤中，Cu
‑
S、Pb
‑
S和Sb
‑
S前驱体溶液的体积比为11:9:8。
[0014]优选地，S103步骤中，称取15mL浓度为0.3mol/L氯化钡水溶液和5mL浓度为0.2mol/L的四氯化钛水溶液混合，随后加入10mL浓度为10mol/L NaOH水溶液，再加5mL乙二醇和15mL去离子水获得BaTiO3前驱体溶液。
[0015]优选地，S104步骤中，水热法反应温度为200℃，反应时间为24h。
[0016]优选地，S104步骤中，CPSS纳米薄片负载量为300mg。
[0017]本专利技术另一方面还提供一种铁电BaTiO3半导体复合材料及其在有机污染物压电/光催化剂协同光热水蒸发器件的应用。
[0018]综上所述，采用本专利技术所提供的一种铁电BaTiO3半导体复合材料的制备方法，先通过丁基二硫代氨基甲酸(BDCA)溶液法合成了CPSS纳米薄片，再利用水热一步法反应制备得到BTO/CPSS半导体异质结光催化剂。制备方法简单、可大规模及低成本生产。
[0019]进一步地，本专利技术制备的铁电BaTiO3半导体复合材料，不仅具有优秀的可见光吸收特性，在光照下激发出更多的光生载流子；而且具有铁电性，可高效分离光生电子
‑
空穴，延长光生载流子寿命，提高光催化活性。进一步地，本专利技术制备的铁电BaTiO3半导体复合材料表现出良好的光热升温性能，并实现了1.369kg/m2·
h优异的蒸发速率，在甲基橙和罗丹明B染料降解过程中，水蒸发速率为2.973kg
·
m
‑2·
h
‑1和2.538kg
·
m
‑2·
h
‑1；最后其海水淡化后得到的纯净水均符合WHO饮用水要求。进一步地，本专利技术制备的铁电BaTiO3半导体复合材料，实现了对甲基橙(MO)和罗丹明B(RhB)染料的超高效压电/光催化协同降解，其催化降解速率常数分别达到了6.65
×
10
‑2min
‑1和9.33
×
10
‑2min
‑1，并在4个循环中表现出良好的稳定性。尤其是在光照和超声应力的双重作用下，该半导体复合材料对甲基橙的降解率高达98.17％，对罗丹明B的降解率高达99.60％。
附图说明
[0020]图1为本专利技术的一种铁电BaTiO3半导体复合材料的制备方法的流程示意图；
[0021]图2为实施例一中BTO(a)、CPSS(b)和BTO/CPSS B300复合材料(c)的扫描电子显本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁电BaTiO3半导体复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：利用丁基二硫代氨基甲酸溶液法制备CPSS前驱体溶液，所述CPSS前驱体溶液由Cu
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S、Pb
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S和Sb
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S前驱体溶液混匀制备而得；S102：对CPSS前驱体溶液进行干燥研磨后以10℃/min的升温速率升高至500℃退火40min，自然冷却至室温获得CPSS纳米薄片；S103：量取氯化钡水溶液和四氯化钛水溶液混合获得Ba
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Ti水溶液，后依次加入NaOH水溶液、乙二醇和水获得BaTiO3前驱体溶液；S104：称取步骤S102的CPSS纳米薄片加入S103步骤中的BaTiO3前驱体溶液中搅拌均匀，再利用水热法加热，离心、洗涤及干燥获得铁电BaTiO3半导体复合材料，所述CPSS纳米薄片负载量为100
‑
300g。2.根据权利要求1所述的一种铁电BaTiO3半导体复合材料的制备方法，其特征在于，所述S101步骤中，称取0.5723g氧化亚铜、0.6696g氧化铅和1.166g三氧化二锑分别加入各含有5mL二硫化碳和8mL无水乙醇的三组混合溶液中，随后逐滴向上述三组混合溶液中各滴加8mL正丁胺并搅拌2h，分别获得Cu
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S、Pb
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S和Sb
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S前...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖娟秀，李桂秋，吕荣鑫，陈真，李佳凯，刘雨昊，田新龙，沈义俊，王东，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：