[发明专利]一种卤化氧铋/氮杂石墨烯水凝胶的合成方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种卤化氧铋BiOX(X＝Cl，Br)/氮杂石墨烯水凝胶的合成方法。

背景技术

铋系半导体BiOX(X＝Cl、Br)是一类新型的半导体材料，因其具有独特的电子结构、良好的光学性能和催化性能，特别是对可见光响应明显，已成为光催化材料、光电等领域极具应用前景的材料体系。然而，BiOX(X＝Cl、Br)独特的层状结构和间接带隙跃迁模式虽然有利于光生电子-空穴对的有效分离与电荷转移，但是单体BiOX(X＝Cl、Br)中光生电子和空穴在迁移过程中仍然存在较大的复合几率，大大降低了其光催化效率及光电化学活性，使其在实际应用中受限。针对上述关键问题，近年来研究人员开展了大量的研究工作，通过微结构调控、半导体复合、贵金属沉积、离子掺杂、染料敏化等途径对BiOX(X＝Cl、Br)材料进行改性，提高其性能。其中，与碳材料(如碳纳米管、石墨烯)耦合是最有效的手段之一。

氮掺杂石墨烯是石墨烯的N型掺杂形式，具有比石墨烯更加优异的电化学性能。氮杂石墨烯基无机纳米材料由于具有这些突出的光电化学、力学、催化和热学性能，使其在锂离子电池、超级电容器、燃料电池、高强度导电复合膜、催化剂、生物传感器以及其他很多领域都有广泛的应用前景。近年来，为了深度挖掘其使用价值，氮杂石墨烯水凝胶，作为一种三维宏观结构的石墨烯材料，具有大的表面积、多孔结构和良好的导电性，引起了大家的广泛关注。

到目前为止，BiOX(X＝Cl、Br)与碳材料(如碳点、氮杂石墨烯)的复合材料的研究已经展开，并取得了诸多研究成果。然而，BiOX(X＝Cl、Br)与氮杂石墨烯水凝胶的自组装研究还没有被展开，因而，发展一种成本低廉、操作简单、条件温和的BiOX(X＝Cl、Br)/氮杂石墨烯水凝胶的合成方法是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种制备BiOX(X＝Cl、Br)/氮杂石墨烯水凝胶的方法，该方法具有原料成本低廉，条件温和及操作简单等优点。

本发明提供的一种BiOX(X＝Cl、Br)/氮杂石墨烯水凝胶的制备方法，按照以下步骤进行：

(1)制备氮杂石墨烯水凝胶，备用；

(2)将步骤(1)中获得的氮杂石墨烯水凝胶完全浸入装有十六烷基三甲基氯化铵CTAC或十六烷基三甲基溴化铵CTAB水溶液的圆底烧瓶中；

(3)将五水合硝酸铋Bi(NO₃)₃·5H₂O溶于去离子水中，用浓硝酸溶液将其pH值调至2～4，制得Bi(NO₃)₃·5H₂O酸溶液，备用；

(4)将步骤(3)Bi(NO₃)₃·5H₂O酸溶液缓慢滴入步骤(2)装有氮杂石墨烯水凝胶和CTAC或CTAB混合溶液的圆底烧瓶中，60～120℃油浴反应3～5h；反应完成后，将所得产物用乙醇和去离子水3～5次，冷冻干燥，得到卤化氧铋/氮杂石墨烯水凝胶，即BiOX/氮杂石墨烯水凝胶，其中，X＝Cl、Br。

步骤(1)中，氮杂石墨烯水凝胶的制备步骤包括：将氧化石墨和甘氨酸按比例混合，混合物超声0.5h后转移至反应釜中，温和水热条件下反应12h，一步自组装得到氮杂石墨烯水凝胶，水洗3～5次。

所述的氧化石墨是采用经典的Hummers方法合成的，浓度为1～5mg/mL；所述氧化石墨体积为3mL，甘氨酸的质量为20～100mg；所述混合物超声时间为0.5h；所述的反应温度为160～200℃。

步骤(2)中，所述CTAC或CTAB水溶液的浓度为8×10^-3mol/L。

步骤(3)中，所述去离子水的体积用量为：每0.12g Bi(NO₃)₃·5H₂O用去离子水50mL。

步骤(4)中，所述氮杂石墨烯水凝胶和Bi(NO₃)₃·5H₂O质量比为：20～300mg：0.12g；所述CTAC或CTAB和Bi(NO₃)₃·5H₂O的摩尔比为1：1。

本发明的有益效果为：