[发明专利]一种石墨烯量子点修饰氧空位钨酸铋复合光催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种石墨烯量子点修饰氧空位钨酸铋复合光催化剂及其制备方法。本发明通过表面氧空位和石墨烯量子点共同修饰钨酸铋，利用表面氧空位形成杂质能级和增加载流子密度的特点以及石墨烯量子点的优异吸光性能和导电性，大幅拓展复合光催化剂的可见光响应范围和提高光生电荷分离能力。本发明制备工艺简单，所制备光催化剂具有优异的CO₂光催化还原活性，有望为低能耗高效率转化二氧化碳技术提供新的思路。

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种石墨烯量子点修饰氧空位钨酸铋复合光催化剂及其制备方法。

背景技术

大气中过量温室气体二氧化碳排放是导致全球严重环境问题的主要肇因，但CO₂同时是碳氧资源化合物。国际Wirtschaftsforum再生能源(IWR)组织网站显示2016年中国CO₂排放量高居世界第一，达95.97 亿吨。因此我国除了需要采取节能减排措施外，更迫切需要研发碳捕集利用技术(CCU)，“变废为宝”高效转化CO₂为燃料和化学品。目前大规模利用CO₂的成熟工艺不多。传统工业如尿素合成、碳酸酯合成和甲醇合成等涉及到利用CO₂，可惜这些技术要在高温、高压等较为苛刻的条件下进行，是高能耗、低效率的过程。光催化还原二氧化碳技术一直是“人工光合成”和“太阳能利用”领域的热点问题，原因是反应条件温和、利用太阳能转化CO₂为甲烷和甲醇等高能量密度的碳氢燃料。一旦光催化还原二氧化碳技术实现碳资源工业化循环利用，有望同时解决能源短缺和全球气候变暖这二大问题。

目前光催化还原CO₂的甲烷和甲醇产率很低。关键问题是现有光催化剂的光生电子空穴容易复合、对 CO₂还原能力弱与常温CO₂化合键稳定不易活化之间的矛盾。传统光催化剂TiO₂禁带宽度太大(～3.2eV)，只能响应紫外光，并且对CO₂分子的还原能力弱。因此，开发新型可见光响应型光催化剂是当前光催化领域的研究热点。钨酸铋(Bi₂WO₆)作为一种优良的可见光催化剂，具有窄带隙(～2.8eV)、热稳定性和化学稳定性等优点。但纯Bi₂WO₆存在光生电荷容易快速复合的问题，严重限制其能量转换效率和可见光活性。

为避免光生电子-空穴复合，现有改性技术包括半导体异质结复合、掺杂和引入缺陷等，但是从现有文献报道来看，改性后的光催化活性并不十分理想，部分Bi₂WO₆改性后形成新的缺陷，导致光生电子-空穴更容易复合。在光催化剂制备过程中引入氧空位是一种有效抑制电荷复合的方法，氧空位具有双重作用：其一，在导带下形成杂质能级，促使材料的带隙变窄，有利于光生电子空穴的转移；其二，氧空位作为电子给体可以增加光催化剂的载流子密度。

同时，从提高可见光利用率而言，光催化剂与容易被可见光激发的材料复合是常见手段，如：有机染料敏化、离子掺杂等。近年来有报道通过碳量子点(尺寸小于20nm具有荧光性质的碳颗粒)修饰可显著提高光催化剂的可见光利用率。石墨烯量子点类似碳量子点既具有石墨烯的优异导电性，也具有类似半导体的能带结构。因此，石墨烯量子点可以快速迁移光催化剂表面电荷，促进电荷分离，同时具备提高光催化剂可见光利用率的性能。

发明内容

本发明的目的是解决现有光催化剂入射光利用率低和光生电荷复合率高的问题，提供一种可见光催化剂复合修饰方法。本发明通过表面氧空位和石墨烯量子点共同修饰钨酸铋，构筑一种高活性的光催化剂。

本发明的技术构思是：通过引入氧空位，借助氧空位的可以抑制光生电荷复合，通过负载石墨烯量子点可以进一步提高Bi₂WO₆对可见光的利用率并借助优异的导电性快速迁移电子，促进电荷分离，从而提高复合催化剂的光催化活性。