[发明专利]一种非化学计量比铋酸铜纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种非化学计量比铋酸铜纳米材料及其制备和应用，所述非化学计量比铋酸铜纳米材料具有均一的海胆状形貌，平均粒径为2‑3μm。该复合材料采用绿色、高效的常温老化法，在得到海胆状形貌的同时成功合成了稳定的非化学计量比材料。该材料由于其特殊的光谱吸收范围，不仅促进了可见光的捕获，也实现了光生载流子的高效利用，从而提高了在可见光范围的光催化活性。本发明所述海胆状非化学计量比铋酸铜纳米材料在可见光照射条件下表现出极高的活化过硫酸盐光催化降解性能，适合推广应用。

技术领域

本发明属于功能复合材料及其制备技术领域，具体涉及非化学计量比铋酸铜纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

自从Honda和Fujishima报道了可以通过TiO₂作为光电极在紫外光照射下分解水制氢以来，研究者们利用半导体催化剂分解水进行了广泛的研究。经过40多年的研究，很多高效的光催化剂都在紫外光(波长<420nm)下可以将水分解成H₂和O₂。然而，在可见光条件下光解水的效率是很低的，而在太阳光谱中紫外光仅占4％左右，可见光则多达46％。因此，开发出在可见光条件下，具有高效光催化活性的光催化剂具有重大的理论和实际意义。

在众多的光催化剂中，铋酸铜具有良好可见光催化性能，作为一类新型光催化材料，近年来发展成为光催化领域的一个研究热点。从结构上说，铋酸铜的价带是由Bi 6s和O2p轨道杂化而成，二者之间的强相互作用降低了其对称性，产生相关的偶极矩，这些偶极矩的产生与铁电、压电、非线性光学等性能密切相关。在光催化反应中，一方面，其具有较高的氧化活性和电荷流动性，从而使它们可能具有较高的光催化活性。另外，铋酸铜在可见光区有较陡峭的能带吸收边，它们在可见光区的吸收产生于本身的带间跃迁，而非禁带区杂质能级的作用，避免杂质所形成的复合中心。另一方面，铋酸铜具有独特的层状结构，使光催化反应主要在层间进行，其光催化活性也会因层间的分子或离子的不同而改变，是一类新型高效的多相光催化材料。因此，铋酸铜光催化材料具有实现可见光催化的潜质。

为了进一步提升铋酸铜材料的催化性能拓展其应用前景，近年来，提高铋酸铜活化能力和光催化活性的策略有：掺杂、负载、构筑异质结、改变形貌、改变化学计量等方法，均可很好的将铋酸铜材料运用于光催化中。如齐飞等(中国专利CN201510234345.8)报道了通过改变形貌，对材料的合成过程进行优化，提出了制备具有特殊的多孔形貌的铋酸铜材料的方法。但是该方法，反应条件较为苛刻，需要极高的碱浓度，限制了推广应用。而具有非化学计量比的铋酸铜材料，因为其在紫外光下稳定，表面缺陷较多，具有相比于计量比铋酸铜材料较大的比表面积，较高的载流子传输速度和载流子浓度，展现出了更好的光活化能力和光催化活性。如Henry等(Chemistry of Materials2001,13：543-551)报道了通过了精确控制碱液浓度，在180℃水热反应的条件下合成了具有非化学计量比的铋酸铜材料。然而，该方案需要长达五天的反应时间以及受到重复性和效率的限制。迄今为止，尚无文献和专利报道过在温和的室温条件下制备非化学计量比铋酸铜材料。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种非化学计量比铋酸铜纳米材料，该材料的化学式为Cu_0.84Bi_2.08O₄，形貌为均一的海胆状，比表面积为30～40m²/g，平均粒径为2～3μm。

本发明的另一目的还在于提供这种纳米材料的制备方法，采用室温老化法构建非化学计量比铋酸铜纳米材料，在得到海胆状形貌的同时成功构筑非化学计量比铋酸铜，该方法涉及的制备工艺简单，成本低，生产过程绿色环保，稳定性高，符合实际生产需要，有较大的应用潜力。