[发明专利]提高氯氧化铋光催化剂对可见光吸收的退火方法

说明书

技术领域

本发明涉及在高压氧气氛条件下对氯氧化铋材料进行高温退火处理以提高其对于可见光的光催化响应，属于半导体光催化领域。

背景技术

半导体催化剂由于其在处理污水上的潜在应用而受到广泛关注。最近几年，研究表明卤氧化物氯氧化铋是一种优秀的半导体催化剂，在紫外光激发下，其表现出比商用TiO₂(P25)半导体光催化剂更为突出的光催化效率。氯氧化铋具有四方晶系的氟氯铅矿结构，每两个[Bi₂O₂]基团被双层Cl原子所隔开。由于这种特殊的层状结构，其内部自发偶极矩非常有利于光生电子-空穴对分离效率的提高。此外，其为间接带隙半导体，光生电子-空穴对的复合几率低。因此，在紫外光激发条件下，氯氧化铋具有较强的光催化效果。然而由于其禁带宽度较宽(3.4eV)，只对波长小于365nm的紫外光有响应，因此，其吸收谱带仅限于紫外光成为了其实际化应用的瓶颈问题，如何进一步拓宽氯氧化铋的吸收谱带进而提高催化效率仍是重要研究课题。

我们知道，通过创造对可见光响应的深能级晶格缺陷如氧空位[X.参考文献：Chang，G.Yu，J.Huang，Z.Li，S.Zhu，P.Yu，C.Cheng，S.Deng and G.Ji，Catal.Today，2010，153，193-199.]，有望解决宽带隙材料对可见光无响应的难题。因此，我们提出，如果可以通过一定的退火处理在氯氧化铋晶格中创造理论受主能级很深的Bi空位缺陷，则很有可能使得氯氧化铋材料对可见光产生响应，因此，一方面有望推动氯氧化铋材料的实际应用，另一方面有望大幅度改善其光催化效果。在前期工作中，我们发现在高压氧气氛退火环境中，ZnO单晶中容易产生Zn空位缺陷，这意味着在富氧高温环境下，氧化物半导体中很容易产生金属空位缺陷。因此，借用这一思路，我们可以通过高压氧气氛的高温退火，进而在氯氧化铋中创造高浓度的Bi空位，最终提高氯氧化铋材料对于可见光的响应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过增加氧气分压，提高氯氧化铋材料对于可见光的吸收的退火方法。

本发明的技术方案是采取在密封的石英管中，加入供氧物(可受热分解产生氧气的化合物或者它们的混合物)和氯氧化铋，加热使供氧化合物分解产生氧气，从而产生压强大于一个大气压的氧气气氛，达到提高氯氧化铋对于可见光的吸收的目的。

本发明提供的方法包括以下步骤：将氯氧化铋和供氧化合物真空密封，置于加热炉进行高温保温退火，最后自然降温，获得可吸收可见光的氯氧化铋。

所述的供氧化合物为高锰酸钾、氯酸钾或过氧化物，或者前述化合物的混合物。

所述的高温退火保温为300℃～900℃，保温时间为1-72小时。

本发明的机理和技术特点是在通过提高氧分压的方法来产生对可见光响应的缺陷能级铋空位晶格缺陷，进而使得氯氧化铋对可见光产生吸收，最终提高氯氧化铋的光催化效率。

本发明所采用的通过增加氧气分压对氯氧化铋进行退火的方法，加热后，石英管中可以产生3-4个大气压的氧气氛，从而有效地产生铋空位这种对可见光响应的深受主能级，使得氯氧化铋在可见光照射下具有光催化活性。

具体实施方式

下面通过具体实施例的阐述，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1

1.将氯氧化铋粉末放入石英坩埚中。石英坩埚内径9mm，外径13mm。

2.在另一个石英坩埚中放置0.25g的高锰酸钾粉末。

3.依次将两个石英坩埚放入石英管。石英管内径14mm，外径20mm。

4.对石英管进行抽低真空至4-5Pa，用湿的纸巾保住石英管底部，边抽真空边对石英管上部用氢氧焰进行封管。

5.将封好的石英管放置到加热炉中，设置退火程序：首先，从常温经过18个小时升到600℃，在600℃维持12个小时，再从600℃自然降温到室温。

6.将石英管割开，取出氯氧化铋粉末。

7.将0.2g的经过退火处理和没经过退火处理的氯氧化铋粉末在磁子搅拌作用下悬浮于浓度为10^-5mol/L的罗丹明B溶液中，在滤掉紫外光的Xe灯(功率为200W)，每隔5分钟检测罗丹明B溶液浓度。研究表明，退火后的样品其光降解反应常数是未退火样品的102倍。

实施例2

按照实施例1的步骤，区别是在例1步骤2中的0.25g的高锰酸钾改为0.12g的过氧化钠。研究表明，退火后的样品其光降解反应常数是未退火样品的78倍。

实施例3