一种碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂及其制备方法与应用

本发明涉及光催化材料领域，具体是涉及一种碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、近年来，社会形态的快速发展以及人们对于美好生活的追求，使得社会以及科技的不断推进，加速了人类对化石能源的消耗，石油和天然气等化石能源的大量燃烧造成大气中co2为主的温室气体急剧增加，加剧了能源危机和温室效应。通过光催化还原技术，可直接利用太阳能，将co2转化为可再生的化学燃料，如co、ch4以及cxhyoz，实现对co2高附加值转化的同时解决能源危机和减轻温室效应带来的环境问题。最近几年，大家越来越关注光催化还原co2技术，但是光催化还原co2的转化效率在实际应用中仍然很低。因此，在太阳光的照射下将co2高效地转化为碳氢化合物的技术备受关注。

2、碳酸氧铋(bi2o2co3)是一种bi-o-x铋-氧基光催化剂，四方氟氯铅矿(pbfcl)相bi2o2co3具有典型的层状结构。其晶体结构由双co3-层和[bi2o2]2+层沿着c轴方向相互交替叠加排列组成，其中[bi2o2]2+层与双co3-层之间通过范德华力相连，[bi2o2]2+层内bi原子与o原子以共价键的形式连接，由于[bi2o2]2+层内共价键的强作用力与双co3-层间弱的范德瓦华力的差别，导致了[bi2o2]2+层与双br-层间不均匀的电荷分布，会进一步极化相关的原子和轨道，从而在晶体内部产生静态电场，有利于光生电子空穴对有效分离。为了降低bi2o2co3半导体材料的光生载流子的复合率，可以对其表面上负载贵金属纳米颗粒进行表面修饰金属表面上的自由电子因高能量光照引起集体振荡，产生局域表面等离子体共振(lspr)，扩大了对光的吸收范围，增强了光催化性能，例如xia等通过原位光还原策略成功地构建了au纳米粒子偶联的超薄biobr纳米片异质结构，成功地增强了biobr的光催化co2还原活性(liu g p,wang l,chen x,zhu x w,wang b,xu x y,chen z r,zhu w s,li h m,xia j x.crafting of plasmonic au nanoparticles coupled ultrathinbiobrnanosheetsheterostructure:steering charge transfer for efficientco2photoreduction[j].green chem eng,2021)

3、本发明通过简单的超声辅助加热反应以及退火处理工艺，可以制备得到由中空球形纳米结构特征的新型bi@bi2o2co3纳米球壳锚定的碳床表面上的复合材料。这种碳支撑单质铋/碳酸氧铋纳米复合光催化剂具有丰富的活性位点，增强了对可见光的吸收能力，有利于光生载流子的分离和传输，在可见光催化还原co2方面表现优异的催化活性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种方法简单的碳支撑单质铋/碳酸氧铋光催化剂制备方法，制得的复合光催化剂在可见光催化还原co2方面表现优异的催化活性。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂的制备方法，先通过十六烷基三甲基溴化铵(ctab)、硫脲(tu)和五水硝酸铋经超声加热反应制备铋配合物，再将铋配合物与壳聚糖物理混合后，在真空条件下退火处理，即制成碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂，具体制备步骤如下：

4、①制备铋配合物：

5、配制十六烷基三甲基溴化铵(ctab)、硫脲(tu)、五水硝酸铋的水溶液，搅拌均匀后，进行超声加热反应，反应结束后洗涤、干燥得到铋配合物；反应温度为60～90℃，反应时间为30min，十六烷基三甲基溴化铵(ctab)、硫脲(tu)以及五水硝酸铋的摩尔比为0.1～1∶5～15∶0.1～1；

6、②制备碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂：

7、将铋配合物与壳聚糖在溶剂中超声分散混合均匀，其中铋配合物与壳聚糖的重量比为1∶5～25，然后将分散液滴涂在载体上，自然干燥后进行真空退火，退火后收集载体上的粉体，洗涤、干燥，获得碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂。

8、作为上述制备方法的优选技术方案，步骤①中超声加热反应是在型号为kq-50，功率为50w的恒温水浴超声仪器中进行。步骤②中铋配合物与壳聚糖分散在乙醇中超声混合均匀。步骤②中在真空下退火，升温速率为1～5℃/min，退火温度为400～500℃，退火时间为1～5h。

9、本发明所提出的这种碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂，能够应用在可见光催化还原co2领域，并表现出优异的催化活性。其微观结构由中空结构的单质铋/碳酸氧铋纳米球壳锚定在无定形碳床表面，纳米球壳外径介于100-200nm，厚度约为20-30nm。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

11、1)、本发明制备的碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂结构中，由中空结构的单质铋/碳酸氧铋纳米球壳锚定在无定形碳床表面，这种复合纳米光催化剂具有丰富的活性位点，增强可见光的吸收能力，促进光生载流子的分离和传输，在可见光催化还原co2方面表现优异的催化活性。

12、2)、本发明的碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂的制备方法，工艺设备简单，操作简便，重复性好，原料价廉易得，适合产业化生产。

技术特征：

1.一种碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂，其特征在于，中空结构的单质铋/碳酸氧铋纳米球壳锚定在无定形碳床表面，纳米球壳外径介于100-200nm，厚度为20-30nm。

2.一种制备如权利要求1所述碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂的方法，其特征在于，先通过十六烷基三甲基溴化铵(ctab)、硫脲(tu)和五水硝酸铋经超声加热反应制备铋配合物，再将铋配合物与壳聚糖物理混合后，在真空条件下退火处理，即制得碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂，具体制备步骤如下：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤①中超声加热反应是在型号为kq-50，功率为50w的恒温水浴超声仪器中进行。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤②中铋配合物与壳聚糖分散在乙醇中超声混合均匀。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤②中在真空下退火，升温速率为1～5℃/min，退火温度为400～500℃，退火时间为1～5h。

6.如权利要求1所述碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂在可见光催化还原co2中的应用。

技术总结
一种碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂及其制备方法与应用，涉及光催化材料领域。先通过十六烷基三甲基溴化铵、硫脲和五水硝酸铋经超声加热反应制备铋配合物，再将铋配合物与壳聚糖物理混合后，在真空条件下退火处理，即制得碳支撑单质铋/碳酸氧铋复合光催化剂。这种碳支撑单质铋/碳酸氧铋由中空结构的单质铋/碳酸氧铋纳米球壳锚定在无定形碳床表面构成，纳米球壳外径介于100‑200nm，厚度约为20‑30nm。这种复合光催化剂具有丰富的活性位点，显著增强可见光吸收能力，促进光生载流子分离和传输，在可见光催化还原CO<subgt;2</subgt;方面表现出优异的催化活性。

技术研发人员：邓崇海,朱益斌,许锐,王承晨,童永辉,孙佩佩,吴义平
受保护的技术使用者：合肥学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22