[发明专利]一种基于电解质聚沉宏量制备氯氧化铋超薄片的方法

说明书

本发明涉及一种在室温下宏量制备氯氧化铋超薄纳米片的方法，其特征是产物采用电解质聚沉直接收集，制备步骤包括：搅拌条件下，将去离子水与乙二醇溶液混合后，依次添加硝酸铋、聚苯乙烯磺酸钠、氯化钠水溶液，随后在室温下静止反应1‑10小时后，移去上层溶液，收集底部絮状白色沉淀产物，在烘箱中干燥获得氯氧化铋超薄纳米片粉体。该方法具有快速简便、能耗低、成本低、产品易收集等优点，适合工业规模化生产制备。本发明获得的氯氧化铋纳米片厚度为2‑5纳米，尺度为30‑50纳米，比表面积为35‑50平方米/克，具有良好的光催化性能且可多次循环利用，在环境治理、光催化制氢、太阳能电池、抗菌消毒、锂离子电池等方面具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种基于电解质聚沉原理在室温条件下宏量制备氯氧化铋超薄纳米片的方法及不同尺度、厚度氯氧化铋纳米片的制备与光催化性能研究，属于纳米材料可控制备领域，氯氧化铋超薄纳米片可应用于环境治理、锂离子电池、水裂解制氢等领域。

背景技术

由双层氯离子与[Bi₂O₂]²⁺离子交错包覆形成的层状三元氧化物氯氧化铋不仅具有独特晶体结构，而且具有十分优良的光学、电学性能。氯氧化铋是一种新型、无毒、高档的功能半导体材料，在环境污染物降解、光催化制氢、太阳能电池、抗菌消毒、锂离子电池等诸多领域具有着重要的应用价值和广阔的应用前景。因此，氯氧化铋材料的制备、性能、应用研究近年来备受关注。目前人们发展了水热法、溶剂热法、沉淀法、溶胶-凝胶法、水解法、固相法等多种氯氧化铋纳米材料的合成方法，成功制备了不同尺度、厚度的氯氧化铋纳米片及由纳米片为基本单元自组装形成的微纳球、纳米花三维分级结构，并研究了其性能与晶面、尺度、结构的关系。众所周知，纳米材料的催化反应一般发生在颗粒的表面，与其比表面积密切相关。通常，降低纳米粒子的尺寸可有效增强其催化活性。因此，构筑小尺度、超薄氯氧化铋纳米片近来引起了广大科研人员的广泛关注。与厚度大于30纳米、尺度大于100纳米的氯氧化铋纳米片相比，目前关于厚度小于10纳米的氯氧化铋超薄纳米片的合成方法报道并不多。已报道的合成方法只有高温水热、高温水解两种合成路径，其基本步骤是将含铋盐的前驱体放置在高压釜中在高温高压下反应，最后用高速离心机高速分离进而获得氯氧化铋超薄纳米片。据我们所知，尽管采用高温水热、高温水解方法可以获得催化活性优良的氯氧化铋超薄纳米片，然而与大尺度氯氧化铋纳米片相比，10纳米以下小尺度超薄纳米片由于体积小、重量轻，其分离收集问题一直是制约其宏量规模化制备的难题之一。此外，长时间高温反应、高速离心使超薄纳米片的制备能耗较高、成本大，进一步限制了氯氧化铋超薄纳米片规模化生产及其在日常生活、工业生产中的广泛应用。因此，发展低能耗、低成本、易收集、适用于氯氧化铋超薄纳米片工业化宏量制备的方法十分关键与必要，也是目前该领域亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有氯氧化铋超薄纳米片宏量制备与收集技术的不足之处，提供一种简便快速、低能耗、低成本、易收集、适用于氯氧化铋超薄纳米片工业化宏量制备的方法。本发明的另一目的是制备出高比表面积、小尺度氯氧化铋超薄纳米片，为环境污染物光催化降解、光催化制氢、太阳能电池、抗菌消毒、锂离子电池等领域的应用提供重要物质基础。

本发明中氯氧化铋超薄纳米片是以硝酸铋为铋源、聚苯乙烯磺酸钠作稳定剂与络合剂、氯化钠作为聚沉剂并提供氯源，在室温环境条件下采用电解质聚沉法在乙二醇与水混合溶液中制备的，其制备过程包括以下具体步骤：

（1）将一定量去离子水添加到乙二醇溶液中，搅拌均匀得到乙二醇与水混合溶液，其中水与乙二醇的体积比为1:3- 3:1；

（2）在搅拌条件下，向步骤（1）获得的乙二醇与水的混合溶液中依次加入一定量的硝酸铋、聚苯乙烯磺酸钠、氯化钠，获得制备氯氧化铋超薄纳米片的反应前驱体溶液，其中，硝酸铋、聚苯乙烯磺酸钠、氯化钠的浓度分别为0.01-0.20摩尔/升、0-0.05摩尔/升、0.1-0.5摩尔/升；

（3）将步骤（2）中的反应前驱体溶液在室温环境条件下静止反应1-10小时；