[发明专利]原位掺杂型磷酸铋-氧化镍复合光催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机环保光催化材料技术领域，具体涉及一种原位掺杂型磷酸铋-氧化镍复合光催化材料，本发明还涉及该复合光催化材料的制备方法。

背景技术

具有高量子效率、能充分利用太阳能的高活性光催化材料的制备及应用，已成为材料学、化学、能源和环境科学领域广泛关注和研究的热点课题。光催化材料研究中的两个关键问题是提高光催化剂的活性与拓展光催化剂的吸收波长，因而所有的新型光催化体系的设计思路，均是针对这两个问题进行的，从这一目的出发，目前多数的新型光催化体系主要集中在复合金属氧化物以及基于此的硫、氮取代化合物。涉及磷酸盐光催化材料的报道很少，而磷酸盐有许多利于催化活性的特性，如磷酸盐结构稳定性好，在光催化反应体系中相对于金属氧化物其氧空位缺陷形成能较高，这就导致磷酸盐晶体中氧空位缺陷很少，即复合中心数量少，使电子与空穴容易分离，有利于形成光催化反应的进行。同时，绝大多数光催化材料都会发生空穴腐蚀(ZnO、CdS和MoS₂)和电子腐蚀(GaP、Cu₂O和GaN)，而磷酸根离子是高价态很难被化学还原，不易被光腐蚀，如果磷酸盐中的金属离子同样稳定，这种光催化剂在光照下便几乎不发生光腐蚀。而且，磷酸盐拥有较大的负电荷，会产生很大的诱导效应，因而有利于光生电子的传输。此外，磷酸盐表面与水有强的相互作用，根据热力学原理，表面磷酸根在与水分子作用时，会与水中的质子产生强烈的作用，进而有利于水分子的解离产生羟基。

磷酸铋作为一种结构稳定的磷酸盐半导体材料，在光学、烷烃的选择性催化氧化、氨的催化氧化等领域有着诸多的应用。近两年，涉及磷酸铋光催化剂的研究已有报道，如何提高磷酸铋光生电子的分离效率，进而提高其光催化活性对磷酸铋光催化材料的应用具有一定的科学意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位掺杂型磷酸铋-氧化镍复合光催化材料，通过非金属离子掺杂增加磷酸铋半导体中氧空位浓度，进而提高磷酸铋光催化的光催化活性。

本发明的另一个目的是提供一种原位掺杂型磷酸铋-氧化镍复合光催化材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，原位掺杂型磷酸铋-氧化镍复合光催化材料，由氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化镍组成，其中氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化镍的摩尔比为1：0.1～0.5。

本发明的特点还在于，

氟、氮共掺杂磷酸铋中铋离子、氟离子和氮离子的摩尔比为1：0.25～0.5：0.25～0.5，其中氟离子和氮离子的摩尔比为1：1。

本发明所采用的另一个技术方案是，原位掺杂型磷酸铋-氧化镍复合光催化材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将五水硝酸铋溶解于质量浓度为65％的硝酸溶液，得到溶液A；将磷酸盐溶于水，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀得到溶液C；将氟化铵加入溶液C，得到溶液D；将可溶性镍盐加入到溶液D中，混合搅拌均匀，得到溶液E；

步骤2：将溶液E转移至水热反应釜，并置于微波反应器中利用微波加热至180～200℃微波水热处理0.5～1.5h，取出后自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，去离子水洗涤3次，于80℃干燥12h后，置于马弗炉中于300～500℃煅烧1～3h，得到原位掺杂型磷酸铋-氧化镍复合光催化材料。

本发明的特点还在于，

步骤1中五水硝酸铋和硝酸的质量比为1：2.5～5。

步骤1中磷酸盐和水的质量比为1：2.5～5。

步骤1中溶液C中铋离子和磷酸根离子的摩尔比为1：1。

步骤1中铋离子和氟化铵的摩尔比为1：0.25～0.5。

步骤1中铋离子和镍离子的摩尔比为1：0.1～0.5。

步骤1中磷酸盐是磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钾、磷酸氢钾或磷酸二氢钾的一种或多种组合。

步骤1中镍盐是六水硝酸镍、六水二氯化镍、硫酸镍或有机镍的一种或多种组合。

本发明的有益效果是，

1.本发明原位掺杂型磷酸铋-氧化镍复合光催化材料，具有以下特点：第一、通过非金属氟和氮离子共掺杂来有效提高磷酸铋半导体界面处电子的捕获能力，增强电子空穴的迁移效率；第二、通过非金属离子掺杂可以增加磷酸铋半导体中氧空位浓度，进而提高磷酸铋光催化的光催化活性；第三、n型半导体磷酸铋和p型半导体氧化镍在界面处能够形成p-n异质节，有效促进光生载流子的分离，进而提高复合体系光催化活性。因此，本发明提出的原位掺杂型磷酸铋/氧化镍复合光催化剂通过氟、氮共掺杂及氧化镍的负载可以有效的提高复合体系的光催化活性。