[发明专利]钼酸铋/碳化钛异质结二维光催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钼酸铋/碳化钛异质结二维光催化材料及其制备方法和应用，该二维光催化材料包括碳化钛纳米片及负载在其上的层状钼酸铋。制备方法包括以下步骤：制备块状碳化钛；利用二甲亚砜制备碳化钛纳米片；通过水热反应制备上述二维光催化材料。本发明二维光催化材料具有价廉易得、光生电子和空穴复合效率低、催化性能强、氧化还原活性好、对环境的危害较少等优点，是一种绿色、经济的光催化材料，能够广泛用于处理环境中的污染物，有着较高的使用价值和较好的应用前景。本发明制备方法具有工艺简单、操作方便、原料成本低、耗能少、耗时短、反应条件温和且易于控制、绿色环保等优点，在功能性纳米材料的合成方面展现了良好的应用前景。

技术领域

本发明属于功能纳米材料技术领域，涉及一种钼酸铋/碳化钛异质结二维光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着工业化的快速发展，社会对于化石燃料的需求越来越大，但化石燃料的燃烧会产生大量的污染物，这些污染物对人体的健康产生极大的威胁。目前，已经有很多的方法(例如芬顿法、生物法、吸附法和电催化法等)已经被开发来降解这些污染物，并且也取得了不错的成效。但是这些方法存在一定的缺陷，首先对于污染物的矿化效率低，很多污染物降解后产生中间产物，这些中间产物仍具有很强的毒性；其次，有些方法需要外源能量的输入，增加了运行的成本。因此，开发一种绿色、环保、可持续的技术是当今社会所急切需要的。

半导体光催化技术是近些年来研究较多的技术，该技术是一种以太阳能作为驱动力来去除污染物和产生新能源的技术。半导体光催化技术是利用半导体材料在光照激发下产生光生电子和空穴，电子具有较强的还原能力，可以与水中的溶解氧反应生成超氧自由基和羟基自由基；光生空穴具有强氧化性，可以与水反应产生羟基自由基，这些产生的活性自由基以及光生空穴本身都具有氧化能力，能够攻击污染，从而彻底将污染物去除，但是这种新型的半导体光催化技术也存在着一定的短处，如现有采用的光催化剂中光生电子和空穴的复合比较快，这极大的限制了半导体光催化技术的实际应用。因此开发具有一种光生电子和空穴快速分离转移的光催化剂是成为了最大的挑战。

目前，开发的光催化剂中，铋系半导体由于其优越物理属性、化学属性、光学属性以及机械属性受到广大科研工作的关注，其中钼酸铋作为一种类钙钛矿结构的铋系半导体，因为独特的层状结构而被广泛研究，但是钼酸铋的光生电子和空穴的复合速率较大，因此在很大程度上限制了其催化性能。之前的报道有提到，将块状钼酸铋的层数减少到单层或者少层时，所形成的二维层状钼酸铋的光生电子和空穴的复合效率大大减少，这是因为当钼酸铋的层数减少到一定厚度时，光照条件下产生的电子和空穴迁移到钼酸铋表面的距离大大减少，从而减少了复合的概率。虽然二维层状钼酸铋的光生电子和空穴的复合得到了一定的抑制，但是迁移到钼酸铋表面的光生电子和空穴仍然有复合的几率，与此同时，该二维层状钼酸铋容易团聚，会减少其比表面积，进而掩盖大量的活性位点。因此，如何有效抑制催化剂表面的光生电子-空穴复合以增强光催化性能以及如何克服二维层状钼酸铋的团聚现象以提高材料表面的活性位点成为现阶段研究中重中之重、亟需解决的技术问题。

碳化钛是作为一种层状材料，由于其导电性能强以及载流子的迁移率高，因而碳化钛有望成为一种性能优异的共催化剂。此外，考虑到钼酸铋独特的二维结构，因而将二维钼酸铋和二维碳化钛复合构建2D/2D钼酸铋/碳化钛异质结，是一种抑制光生电子-空穴复合的有效方法，但是构建这种新型的2D/2D钼酸铋/碳化钛异质结仍然具有一些难点：(1)二维层状材料的制备方法比较复杂，耗时长；(2)2D/2D钼酸铋/碳化钛异质结的制备方法中所需的条件比较苛刻；(3)2D/2D钼酸铋/碳化钛异质结中两个组分的质量比对催化性能影响较大。因此，如何获得一种光生电子和空穴复合效率低、催化性能强、氧化还原活性好、重复利用性好的钼酸铋/碳化钛异质结二维光催化材料以及与之匹配的工艺简单、操作方便、原料成本低、耗能少、耗时短、反应条件温和且易于控制、绿色环保的制备钼酸铋/碳化钛异质结二维光催化材料的方法，对于有效提升半导体光催化技术的处理效果和扩大半导体光催化技术的应用范围具有十分重要的意义。

发明内容