[发明专利]一种含有铋和卤素的半导体材料及其制备与分析方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料，涉及一类含有铋和卤素的半导体材料及其制备与分析方法，具体涉及化学式通式为Cs₃Bi₂Br_xI_9-x(其中x＝1-6.85)的新材料及其制备与分析方法。

背景技术

当前，随着能源危机和环境污染问题日益突出，寻找到一种清洁能源替代传统化石能源已迫在眉睫。氢能由于其热值高、重量轻、无污染、可存储运输等诸多优点，同时氢是地球上最丰富的元素之一，氢能被认为是最有希望替代传统化石能源的清洁能源。传统的氢能获取方式主要是电解水制氢和矿物燃料制氢，电解水制氢会消耗大量的电能，矿物燃料制氢会产生CO₂造成二次污染，而光催化分解水制氢利用取之不尽、用之不竭的太阳能分解水产生氢气，反应条件温和，操作简单，无污染，具有巨大的开发前景。

利用太阳能分解水产生氢气的关键在光催化剂的开发，而衡量光催化剂的好坏，通常看以下三点：带隙能及带边位置满足分解水的能量要求；能充分利用太阳能，对可见光响应；性能稳定，能抵抗光腐蚀(Abe，J.Photochem.Photobiol.C，2010，11，179-209)。因此，寻找到一种能带结构合适并且性能稳定的光催化剂，对于光催化分解水制氢的推广应用意义重大。

目前，通式为A₃M₂X₉(A为碱金属离子，M为Bi³⁺或Sb³⁺离子，X为卤素离子)的系列化合物主要以研究其结构与相变为主(Chabot，Acta Cryst.B，1978，34，645-648；Yamada，J.Solid State Chem.，1997，134，319-325；Ivanov，Inorg.Mater.，2001，37，623-627)。在2015年，有报道(Lehner，Chem.Mater.，2015，27，7137-7148；Brandt，MRS Commun.，2015，5，265-275；Park，Adv.Mater.，2015，27，6806-6813)研究了Cs₃Sb₂I₉和Cs₃Bi₂I₉在太阳电池方面的应用。然而，在已知的A₃M₂X₉类型化合物中，含Sb³⁺的材料对水不稳定，Cs₃Bi₂Br₉为亮黄色只吸收可见光中的蓝光，而Cs₃Bi₂I₉在室温下由孤立的Bi₂I₉^3-离子组成，不具有类钙钛矿结构。这些现有的材料都不是理想的光解水制氢的催化剂材料。

发明内容

本发明针对现有材料存在的上述问题，本发明的目的是提供一类不含Sb³⁺、且能吸收大部分可见光谱的类钙钛矿材料及其制备、分析方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种含有铋和卤素的半导体材料，其特征在于，其化学式为Cs₃Bi₂Br_xI_9-x，其中，x＝1-6.85。

进一步地，所述的含有铋和卤素的半导体材料具有类钙钛矿晶体结构，空间群为P-3m1。

本发明还提供了上述的含有铋和卤素的半导体材料的制备方法，其特征在于，包括：将Cs₃Bi₂Br₉和Cs₃Bi₂I₉按照一定比例混合，加热反应得到Cs₃Bi₂Br_xI_9-x；或者，将含有Cs、Bi和I元素的反应物与氢溴酸反应，冷却结晶，得到Cs₃Bi₂Br_xI_9-x。

优选地，所述的含有Cs、Bi和I元素的反应物为CsBr和BiI₃。

优选地，所述的含有Cs、Bi和I元素的反应物为CsI和Bi₂O₃。