一种片层状Bi2O2SiO3-Si2Bi24O40异质复合光催化剂及其制备方法

本发明属于光催化剂技术领域，特别涉及片层状bi2o2sio3-si2bi24o40异质复合光催化剂及其制备方法。

背景技术：

铋系半导体普遍具有良好的光催化性能，其合适的禁带宽度和特殊的层状结构使其具有宽的可见光响应范围，和良好的物理及化学稳定性，是光催化领域的一大研究热点。但其仍存在着电子-空穴易复合和响应波长范围窄等问题需要进一步改善解决。

窄的禁带宽度可以提高对太阳光的利用率，宽的禁带宽度又可以抑制光生载流子的复合。因此，单一半导体光催化材料难以同时具有优异的光吸收能力和较高的光生载流子分离和迁移效率。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种片层状异质复合光催化剂及其制备方法，通过构建异质结解决了上述矛盾，所得复合光催化剂粒径分布均匀，具有更小更薄的片状结构，具有更多活性位点，该结构能够有效提高对光的利用率，提高光催化活性，并且其制备工艺简单。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种片层状异质复合光催化剂，表达式为bi2o2sio3-si2bi24o40，其结构为厚度约15～25nm，边长不超过1.5μm的薄片所组成的三维交叉式片层结构。相比于改性前的厚板状，具有更小更薄的微观结构；三维交叉式片层结构，提供了更多的活性位点，提高了光催化剂的光催化活性。

所述片层状异质复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，在硝酸铋溶液中加入分散剂得到a液，以偏硅酸钠溶液为b液，其中硅离子与铋离子的摩尔比为1:1～1.5:1；

步骤2，将b液缓慢滴加至a液中，继续搅拌，混合均匀后，再加入ps悬浮液，得到前驱体溶液；

步骤3，将前驱体溶液在带聚四氟乙烯衬里的不锈钢密闭高压釜中150～250℃下保持8～15小时，然后自然冷却至室温；

步骤4，将所得到的产品收集离心，并用去离子水和无水乙醇洗涤数次，然后在60℃～80℃下干燥，研磨后即可获得片层状的bi2o2sio3-si2bi24o40异质复合光催化剂。

所述硝酸铋溶液的质量浓度为60～80％，a液中分散剂的浓度控制在0.3～1.2mol/l。

所述分散剂为柠檬酸、eg、聚乙二醇400和聚乙二醇6000中的一种或多种，当为多种时，配比任意。

所述偏硅酸钠溶液的质量浓度为20～50％。

所述ps悬浮液加入量为b液和a液总体积的20～80％，其作用是改性剂。

所述前驱体溶液在不锈钢密闭高压釜中的填充比为46％～70％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、铋系/铋系半导体异质结相比于其他种类异质结，可以解决异质结界面发生晶格畸变所造成的载流子传输困难问题，且两种铋系半导体之间形成的异质结可能会共用[bi2o2]²⁺层状结构单元，这有利于电荷在[bi2o2]²⁺层内的传输转移，从而使铋系半导体光催化性能得到提高。

2、有效利用了bi2o2sio3与si2bi24o40间相似的结构及匹配的能带，经过聚合反应、均相反应、水热反应等过程，形成了新型bi2o2sio3-si2bi24o40异质结。

3、在降低了光生电子-空穴的复合率的同时提高了对太阳光的利用率。

4、ps悬浮液的加入，使其在水热环境下，产生空间位阻作用，有效控制了晶粒的过度生长，使原有的厚板状变成了更小更薄的片层状，暴露出更多的活性位点，使该复合材料的光催化性能得到进一步提高。

5、在可见光的作用下，bi2o2sio3上产生的电子会跃迁到si2bi24o40的导带上，与表面氧气反应生成超氧自由基(·o^2-)，与此同时，si2bi24o40上的空穴(h⁺)将迁移到bi2o2sio3的价带，体系中超氧自由基和空穴是其主要的催化降解活性基团，即产生的超氧自由基与空穴与污染物反应完成降解反应。

6、本发明的制备工艺简单，所制备粉体粒径分布均匀且团聚较轻，所具有的异质结界面和层状结构，协同作用使光催化活性得以增强。

附图说明

图1是本发明所制备粉体的xrd图。

图2是本发明所制备粉体的sem图。

图3是本发明所制备粉体的污染物降解性能图。

具体实施方式

本发明使用五水硝酸铋和九水偏硅酸钠作为原料，以无水乙醇和去离子水为溶剂，柠檬酸、乙二醇(eg)、聚乙二醇400、聚乙二醇6000等为分散剂，聚苯乙烯微球(ps)为改性剂，混合后在不锈钢密闭高压釜中反应8～15小时，从而制备出一种具有更多活性位点的片层状bi2o2sio3-si2bi24o40异质复合光催化剂。该方法操作简单，所制备的粉体分散性好，所得复合材料既包含新的异质结构的作用，且更小更薄的片层状结构还提供了更多的活性位点，表现出更高的光催化性能。

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。本发明技术方案不局限于以下所列的具体实施方式，还包括各具体方式间的任意组合。

实施例1

(1)将苯乙烯和α-甲基丙烯酸与去离子水混合，过硫酸钾作为引发剂，在60～80℃下恒温搅拌，聚合反应6～10h。反应完成后进行离心和洗涤，最后溶解在无水乙醇中，得到聚苯乙烯(ps)悬浮液；

(2)配制质量百分数为60～80％的硝酸铋溶液，搅拌过程中加入一定量的分散剂，搅拌至溶解得到a液；

(3)将质量百分数为20～50％的偏硅酸钠溶液(硅离子与铋离子的摩尔比为1:1～1:1.5)缓慢滴加至a液中，继续搅拌。混合均匀后，再加入12ml的ps悬浮液，得到前驱体溶液；

(4)将前驱体溶液在带聚四氟乙烯衬里的不锈钢密闭高压釜中150～250℃下保持8～15小时，然后自然冷却至室温；

(5)将所得到的产品收集离心，并用去离子水和无水乙醇洗涤数次，然后在60℃～80℃下干燥，研磨后即可获得片层状异质复合光催化剂。

实施例2

(1)将苯乙烯和α-甲基丙烯酸与去离子水混合，过硫酸钾作为引发剂，在60～80℃下恒温搅拌，聚合反应6～10h。反应完成后进行离心和洗涤，最后溶解在无水乙醇中，得到聚苯乙烯(ps)悬浮液；

(2)配制质量百分数为60～80％的硝酸铋溶液，搅拌过程中加入一定量的分散剂(包括柠檬酸、eg、聚乙二醇400、聚乙二醇6000等，各分散剂的浓度控制在0.3～1.2mol/l)，搅拌至溶解得到a液；

(3)将质量百分数为20～50％的偏硅酸钠溶液(硅离子与铋离子的摩尔比为1:1～1:1.5)缓慢滴加至a液中，继续搅拌。混合均匀后，再加入16ml的ps悬浮液，得到前驱体溶液；

(4)将前驱体溶液在带聚四氟乙烯衬里的不锈钢密闭高压釜中150～250℃下保持8～15小时，然后自然冷却至室温；

(5)将所得到的产品收集离心，并用去离子水和无水乙醇洗涤数次，然后在60℃～80℃下干燥，研磨后即可获得片层状的bi2o2sio3-si2bi24o40异质复合光催化剂。

以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制，其他任何基于本发明的原理或精神实质下所做的改变、替代、组合、简化等均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。