[发明专利]单层氮化碳纳米片和铋等离子体联合修饰型氧化铋基电极及其制备和应用

说明书

本发明公开了单层氮化碳纳米片和铋等离子体联合修饰型氧化铋基电极及其制备和应用，包括：将五水硝酸铋溶于含HNO₃的乙二醇中，得溶液A；将C₃N₄固体置于乙醇溶液中，超声剥离得含单层C₃N₄的乙醇悬浊液，离心后取上清液为溶液B；然后将溶液B加入溶液A中，分散均匀后滴涂在导电玻璃上，真空干燥后煅烧得Bi₂O₃‑C₃N₄薄膜；然后置于酸性KI溶液中进行离子交换，洗涤后自然风干后得到Bi₂O₃‑BiOI‑C₃N₄；再置于甲醇溶液中，氙灯照射后将薄膜取出，自然风干即得。本发明构建分散性好，稳定性强，光催化效果好的可见光催化薄膜。有效解决光催化剂回收难题的同时使得催化剂在可见光作用下降解污染物的效果得到更大的提升。

技术领域

本发明涉及光电催化材料技术领域，主要涉及单层C₃N₄纳米片和Bi等离子体联合修饰型Bi₂O₃基电极的制备及应用。

背景技术

光催化技术是高级氧化技术的一种，是一种绿色技术，只需要利用太阳光的照射，光催化剂表面即会产生光生电子和空穴。电子可以用于还原反应，空穴可以用来氧化有机污染物。而光催化剂多为粉体催化剂，回收再利用是一大难题。同时，以大多数光催化剂只对短波长的紫外光有响应，催化效果也比较差。

而光电催化，由于催化剂为薄膜电极的形式，在回收上相对于光催化更胜一筹，同时，由于外加偏压的存在，电子转移效果更好，催化效果较光催化更优。目前，等离子体共振原理已经在光电催化领域被广泛应用，我们利用等离子体效应，在Bi₂O₃-BiOI的表面进行原位还原反应，产生的单质Bi等离子体对于催化薄膜的电子产生和转移等光电催化性能及可见光的吸收都具有极大的促进作用。进一步引入了单层的C₃N₄纳米片对电极进行修饰后光催化薄膜电极的光电性能显著增加。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种新型高分子基半导体材料，具有廉价、不含金属元素、可调控的能带结构、优异的热和化学稳定性等优点，在光电催化、有机污染物的降解和光致发光等领域展示出广阔的应用前景。传统直接热聚合方法获得的石墨相氮化碳往往表面积较小、催化反应活性位点较少、光响应性能较差，这些问题一定程度上制约了石墨相氮化碳的规模化应用。因此，制备出单层的C₃N₄纳米片用于修饰光催化薄膜电极是十分有前景的。已经有研究表明剥离后的g-C₃N₄光电性能显著增加。但是该研究是应用于降解染料，这一点依然是十分有局限性的。

随着各类工业技术的飞速发展，产生的污染物也越来越发杂多样，其中有机高毒性污染物治理的难题也越来越受到广泛发关注。具有代表性的有机污染物为苯酚。苯酚不仅有毒性，且具有强烈的腐蚀性。而具有代表性的重金属污染物为铬(Cr(VI))，Cr(VI)具有毒性且可致畸、致癌、致突变。

作为有机污染物的代表，苯酚是一种重要的有机合成原料，来源广泛可用于化工生产或制造业，包括橡胶、涂料、石棉品、木材防腐剂、树脂、纺织物、药品、香水、塑料等。也可在石油、制革、造纸、香料、墨水、肥皂、农药、染料等行业中使用。在医药上，被广泛使用作为消毒剂、杀虫剂等。在实验室中用作溶剂、试剂。

而重金属Cr(VI)的来源也十分广泛，包括制革、鞣革、电镀等许多工业产业。且Cr(VI)很强，易溶于水，容易迁移，将其还原转化为Cr(III)是最常见的处理方法，Cr(III)的毒性只有Cr(VI)的1％，并且易沉淀，容易分离。