一种原子共享型光催化-光热复合材料及其制备方法

本发明属于光催化材料，具体涉及一种原子共享型光催化-光热复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、半导体光催化是一种清洁能源的高效利用技术，被认为是解决当前环境污染问题的有效手段之一。

2、bi3o4br是一类优异的半导体光催化材料，由于独特的层状结构、良好的光物理、光化学性质、合适的能带结构，使其在能源转化和环境治理领域具有良好的应用前景，然而，由于窄的光吸收范围和高的光生载流子复合，bi3o4br在光催化中的实际应用远不能令人满意。

3、稀土掺杂上转换发光材料可将长波长光子能量转换为短波长发射，即可以吸收近红外光，并通过能量传递和跃迁，发射出可见光和紫外光，这为提高光催化材料中太阳能的利用率提供了新的思路。将er3+掺入bi3o4br中，获得bi3o4br:er3+，在近红外光激发下，er3+上转换发射离子的绿光和红光，被bi3o4br纳米片的吸收，实现近红外光下对污染物的降解，拓宽了bi3o4br光响应范围。然而，稀土离子吸收截面小、上转换发光效率低、以及上转换发射波长与半导体吸收波长间的匹配差异性，使得近红外光吸收率和上转换转换效率都很低，最终导致光催化效率普遍较低,影响了其实际应用。

4、近年来，构建异质结已成为改善半导体材料光催化性能的研究热点。其中，等离激元纳米结构与光催化材料耦合构建的异质结，不仅可以利用等离激元纳米结构的表面等离子体共振(spr)效应拓展光响应范围，提高对太阳光的利用率；还可利用等离激元纳米结构与光催化材料耦合形成的异质结界面有效抑制光生载流子的复合，提高量子效率；更为重要的是，spr效应调控局域场还可以有效提高上转换发光效率。然而，大多数等离激元纳米结构的spr吸收多在可见光区且光响应范围较窄，如au贵金属纳米颗粒；而且光催化材料与等离子体材料之间通常存在较大的晶格错配，导致异质界面处存在大量的缺陷，成为基质载流子的复合中心和稀土离子发光的淬灭中心，影响其性能的提升。此外，随着光催化材料的光谱响应范围拓展到近红外光区，太阳能在通过光催化反应转化成化学能的同时，还会有一部分能量通过光热效应转换成热能。从能源利用角度来看，具有热效应的红外辐射未得以利用正是光催化反应效率低的主要原因之一。

5、因此，为了解决上述问题，本文提出一种原子共享型光催化-光热复合材料及其制备方法。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明设计了一种原子共享型光催化-光热复合材料及其制备方法，本发明的原子共享型异质结，由于界面间原子形成良好接触，有利于促进电荷传输，降低界面复合，能够进一步提升复合材料的相关性能；氧缺陷bi2o3-x纳米结构在可见和近红外区域内具有强烈的spr吸收；bi3o4br与bi2o3-x存在天然的bi-o四面体共享性，构筑兼具等离子共振和近红外光响应的原子共享型异质。

2、为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种原子共享型光催化-光热复合材料，其特征在于，其化学式为：bi2o3-x/bi3o4br:er3+。

3、本发明的另一目的在于提供一种原子共享型光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、step1、将铋源、溴源分别溶于有机溶剂中，搅拌混匀后混合、并加入含有稀土离子的水溶液，调节ph值，将所得水溶液进行水热反应，所述的反应温度为160～200℃，退火反应时间为1～24h，离心、洗涤、烘干后制得bi3o4br:er3+前驱体；

5、step2、将step1中所得样品溶于还原剂水溶液中，搅拌、离心、洗涤、烘干后收集；

6、step3、将step2中所得样品进行退火处理，所述的反应温度为120～350℃，退火反应时间为1～12h，即得。

7、进一步的，step1中所述的铋源为五水硝酸铋、碳酸铋、磷酸铋中的一种或多种；所述的溴源为溴化钠、十六烷基三甲基溴化铵、溴化铵中的一种或多种。

8、进一步的，所述的铋源质量与有机溶剂体积比0.5～3g:20～50ml；溴源的质量与有机溶剂体积比0.5～3g:5～30ml；溴源中的溴元素和铋源中的铋元素的摩尔比为0.5～5:1。

9、进一步的，所述step1中所述的有机溶剂为甘露醇、乙二醇中的一种或混合溶液。

10、进一步的，step2中所述的还原剂为硼氢化钠水溶液、乙二醇、次亚磷酸钠中的一种或多种，其浓度为10～20m/l。

11、本发明的有益效果是：

12、本发明公开了一种原子共享型光催化-光热复合材料及其制备方法，该异质结材料bi2o3-x/bi3o4br:er3+通过bi-o四面体连接，共享异质结界面形成原子共享型异质结，由于界面间原子形成良好接触，有利于促进电荷传输，降低界面复合，能够进一步提升复合材料光催化性能；利用bi2o3-x纳米结构的spr效应和光热效应增强光响应范围和捕获能力吸收，提高光生载流子分离效率。所述制备方法不需要复杂的设备，操作简单，在光催化领域，具有很高的应用前景的开发。

技术特征：

1.一种原子共享型光催化-光热复合材料，其特征在于，其化学式为：bi2o3-x/bi3o4br:er3+。

2.根据权利要求1所述的一种原子共享型光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种原子共享型光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于：step1中所述的铋源为五水硝酸铋、碳酸铋、磷酸铋中的一种或多种；所述的溴源为溴化钠、十六烷基三甲基溴化铵、溴化铵中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的一种原子共享型光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于：所述的铋源质量与有机溶剂体积比0.5～3g:20～50ml；溴源的质量与有机溶剂体积比0.5～3g:5～30ml；溴源中的溴元素和铋源中的铋元素的摩尔比为0.5～5:1。

5.根据权利要求2所述的一种原子共享型光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于：所述step1中所述的有机溶剂为甘露醇、乙二醇中的一种或混合溶液。

6.根据权利要求2所述的一种原子共享型光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于：step2中所述的还原剂为硼氢化钠水溶液、乙二醇、次亚磷酸钠中的一种或多种，其浓度为10～20m/l。

技术总结
本发明公开了一种原子共享型光催化‑光热复合材料及其制备方法，将铋源和溴源分别溶于有机溶剂中，搅拌混匀后混合，并加入稀土离子溶液，进行水热反应，离心、洗涤、烘干后制得前驱体，然后加入到还原剂水溶液中进行析铋还原反应，离心、洗涤、烘干后在马弗炉空气气氛下进行氧化退火即得Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3‑x</subgt;/Bi<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;Br:Er<supgt;3+</supgt;。本发明的原子共享型异质结，由于界面间原子形成良好接触，有利于促进电荷传输，降低界面复合，能够进一步提升复合材料的相关性能；在可见和近红外区域内具有强烈的SPR吸收；存在天然的Bi‑O四面体共享性，构筑兼具等离子共振和近红外光响应的原子共享型异质；作为光催化剂在降解有机染料、抗生素、重金属中有广泛的应用。

技术研发人员：李永进,李志峰,赵雪婷,马俊浩,黄奎碎,查金丹,宋志国,尹兆益,邱健备
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15