[发明专利]一种具有p-n异质结的光催化复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种具有p‑n异质结的光催化复合材料，属于有机污染物处理领域。本发明制得的具有p‑n异质结的窄带隙光复合催化材料改进了单一催化剂的不足，带隙能小(1.87eV)，对可见光的吸收阈值大，光的利用率增强，能带弯曲形成的p‑n异质结提高了空穴的转移能力，抑制电子‑空穴的复合，提高了光生电子和空穴的分离效率，延长载流子的寿命，增强催化的活性，在可见光下，对水中有机污染物有很好的降解效果，例如MO、MG、BPA、盐酸四环素等；同时本发明制得的具有p‑n异质结的窄带隙光复合催化材料可在水中静置沉降，从而可从水溶液中分离出来，有利于对材料的回收和再利用，且具有良好的再生能力，可循环利用。

技术领域

本发明涉及有机污染物处理技术领域，尤其涉及一种具有p-n异质结的光催化复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

染料废水是有害工业废水之一，主要来源于纺织染色、纸制印刷、彩色摄影和石油工业等行业。染料废水的总量在不断的增加，每排放1吨废水就会污染20吨的水体。废水中的有机物大部分是芳香环和杂环作为母体的，且带显色基团，使得废水的色度很高，具有很强的污染性，通常还含有卤化物、硝基物、苯胺及酚类等系列有机物以及氯化钠、硫酸钠与硫化物等一些无机盐。大量的染料废水排放到环境水体中，对自然水体造成污染，水体缺氧影响水生生物和微生物生长。废水中的芳烃和杂环化合物有机物属于难降解有机物，在环境中滞留时间长，具有强烈的致癌、致畸、致突变的危险，对水生物体和人体健康构成威胁。

传统的废水处理方法主要有物理法、化学法和生物处理法。物理法包括吸附法、萃取法和膜分离技术。其中应用最多的为吸附法，但吸附法适合低浓度废水处理，吸附剂对吸附质有一定的选择性。化学法对水质、水量的变化缺乏适应性且耗能大、成本高。生物处理法操作简单，运行成本低，但是废水本身具有毒性，抑制微生物的活性，也存在活性污泥沉降性差、生化反应速率低、出水水质差等问题。

光催化技术属于高级氧化的一种，能够降解绝大多数有机物，减少二次污染且主要利用太阳光作为反应光源，在难降解有机物废水处理中具有无可比拟的优势，被国内外学者认为是有前途的水处理更新技术之一。近年来，铋系化合物由于其结构特性引起广泛的关注。BiOCl是一种p型半导体，属于V–VI–VII三元化合物半导体，内部的[Bi₂O₂]²⁺层与Cl^-的双层相互交错。这种相互作用的结构形成了一个强的内部电场，促进光生载流子的转移，有效抑制它们的复合。BiOCl的价带(VB)由Bi 6s、O2p和Cl2p杂化组成，导带(CB)由Bi 6s和Bi 6p轨道构成，分散的Bi 6s轨道有利于增强光生电子空穴对的迁移效率，减小带隙能。但是BiOCl存在带隙能(3.2eV～3.6eV)很大的问题，只能吸收紫外光，限制了实际的应用。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有p-n异质结的光催化复合材料及其制备方法和应用。本发明制得的具有p-n异质结的光催化复合材料中包括m-Bi₂O₄和BiOCl，降低了光催化复合材料的带隙能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种具有p-n异质结的光催化复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铋酸钠与水混合进行水热反应，得到m-Bi₂O₄；

(2)将所述步骤(1)得到的m-Bi₂O₄分散于分散剂中，得到m-Bi₂O₄分散液；

(3)在pH值为1～3的条件下，将所述步骤(2)得到的m-Bi₂O₄分散液与氯源混合后超声处理，得到具有p-n异质结的光催化复合材料。

优选地，所述步骤(1)中铋酸钠的质量与水的体积比为1～3g:30～90mL。