[发明专利]一种用于光催化氮气还原的2D/2D异质结BiO2-x/g-C3N4纳米片复合材料

说明书

本发明公开了一种用于光催化氮气还原的2D/2D异质结BiO2‑x/g‑C3N4纳米片复合材料，先通过尿素热缩聚制备2D g‑C3N4纳米片；取适量铋盐溶于酸溶液，通过氢氧化钠调节溶液pH，随后加入次氯酸钠溶液，经水热反应，得到2D BiO2‑x纳米片；再将得到的g‑C3N4和BiO2‑x材料在甲醇溶液中超声混合后，搅拌一定时间，得到2D/2D异质结BiO2‑x/g‑C3N4纳米片复合材料；本发明有效拓宽了2D g‑C3N4纳米片的光响应范围，抑制光生电子‑空穴对的复合，进而改善催化剂的催化性能；本发明是对现有技术一次扩展性的技术创新，具有很好的推广和应用价值。

技术领域

本发明属于光催化材料领域，具体涉及一种用于光催化氮气还原的2D/2D异质结BiO2-x/g-C3N4纳米片复合材料的制备方法。

背景技术

氨(NH3)是人类文明发展的重要化学物质。目前工业上生产NH3的方法主要是Haber-Bosch法，其需要高温(500~600 oC)和高压(20~50 MPa)的反应条件，这导致能源消耗高、环境污染严重等许多问题。因此，开发在温和条件下低能耗生产NH3的方法至关重要。

作为一种绿色、经济的化学技术，光催化技术利用廉价的半导体作为催化剂，在太阳光照射下，可以将大气中的氮气，转化为氨气。到目前为止，已经开发出在紫外或者可见光响应的各种半导体光催化剂，如Fe2O3、ZnO、TiO2、g-C3N4、BiOX(X=Cl、Br、I)、W18O49等。

石墨相氮化碳(g-C3N4)已被证明是一种无毒，稳定和易制备的光催化氮气还原材料。g-C3N4为2D结构，带隙约为2.7 eV，为可见光响应材料。此外，可以通过简单、温和的热缩聚路线从廉价的富氮前体(例如尿素，三聚氰胺，硫脲，氰胺和双氰胺等)获得g-C3N4。然而，单一组分g-C3N4光催化剂的光生电子-空穴复合效率高，导致其光催化活性降低。研究表明，复合半导体可以有效的拓宽g-C3N4的光响应范围，提高电子-空穴对的分离效率，进而改善光催化活性。迄今为止，已经开发出诸多的半导体材料用于改善g-C3N4的光催化活性。从几何学的角度来看，可以将g-C3N4异质结分为三类：“0D/2D”、“1D/2D”和“2D/2D”异质结。其中，相比于0D/2D异质结中的点面接触和1D/2D异质结中的线面接触，2D/2D型异质结可以形成更多的界面区域，表现出更高的电荷迁移率和更低的电荷复合率。

经检索专利公开号为CN110252381A公开了一种2D-2D WO3/g-C3N4异质结 构光催化剂的制备和应用，该异质结构光催化剂 是采用热分解的方法制备二维的g-C3N4作为基体，再通过水热的方法合成WO3纳米片从而构建 2D-2D结构的WO3/g-C3N4异质结构光催化剂，不能有效的促进光生载流子的分离。

基于以上研究，本发明采用热缩聚-水热法，制备了2D/2D异质结构BiO2-x/g-C3N4纳米片复合材料。尿素作为前驱体，在热缩聚过程中可以自剥离形成少层多孔g-C3N4纳米片。g-C3N4中氮的孤对电子可以有效的吸附铋离子，有利于BiO2-x纳米片负载在g-C3N4表面，BiO2-x中大量表面氧缺陷可以作为光生电子的捕获陷阱，拓宽了g-C3N4的光吸收范围。此外，得到的2D g-C3N4和2D BiO2-x纳米片之间高的耦合程度，可以有效的促进光生载流子的分离。在模拟太阳光催化氮气还原实验中，2D/2D异质结BiO2-x/g-C3N4纳米片复合材料表现出优异的光催化固氮性能。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是如何提供一种用于光催化氮气还原的2D/2D异质结BiO2-x/g-C3N4纳米片复合材料及其制备方法，采用热缩聚-水热法，制备了2D/2D异质结BiO2-x/g-C3N4纳米片复合材料，制备方法简单、条件温和。复合窄带系2D BiO2-x纳米片有效的拓宽了2D g-C3N4纳米片的光响应范围，抑制光生电子-空穴对的复合，进而改善催化剂的催化性能。在模拟太阳光进行氮气还原实验中，制备的2D/2D异质结BiO2-x/g-C3N4纳米片复合材料表现出优异的光催化性能。