[发明专利]一种具有铋、氧双空位的钨酸铋复合光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有铋、氧双空位的钨酸铋光催化剂及其制备方法和应用。本发明通过水热法和添加还原性助剂来构造表面氧空位，通过调控铋源前驱体和钨酸盐前驱体的比例构造铋空位，从而制备具有铋、氧双空位的钨酸铋光催化剂。所述的铋、氧双空位钨酸铋光催化剂的可见光吸收范围宽、光生电荷复合率低，并且光催化还原CO₂的活性高。同时，所述光催化剂的双空位构造工艺简单，制备参数可控。因此，本发明申请在可见光利用和环境保护方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种具有铋、氧双空位的钨酸铋复合光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近几十年来，光还原CO₂被认定是一种很有前途的绿色可持续发展技术，可以充分利用太阳能将温室气体CO₂转化成为化学燃料，达到一种变废为宝的目的。然而目前光催化半导体材料存在一系列问题，如光生载流子复合速率快、表面活性位点数量少和可见光吸收能力弱等。上述问题不利于光催化活性的提升并且严重限制光催化还原CO₂技术的推广应用。因此，开发一种高效的光催化剂尤为重要。

窄带隙(～2.7ev)的钨酸铋作为一种很有前途的铋基光催化剂，因其优良的物理化学性质，如无毒性、高稳定性等，引起了人们的广泛关注。但钨酸铋量子产率较低、光生电荷载流子复合速率快，导致光催化活性较低。构建光催化剂表面的阳离子和阴离子缺陷是提高光催化活性的一种手段。阳离子缺陷在反应过程中可以提供吸附/催化反应位点，提高光生载流子迁移率。阴离子缺陷具有拓宽可见光吸收范围、提供催化反应位点的特点。Siang-Piao Chai等人(Chem.Commun.,2016,52(99),14242)通过乙二醇溶剂热法制备含氧空位的钨酸铋，实现在紫外-可见光-近红外宽光谱范围内的光催化还原CO₂，表面氧空位缺陷的存在使钨酸铋光催化CO₂还原性能得到极大提高。李华明等人(Applied Catalysis B:Environmental,238(2018),119)通过模板法将铋空位定向植入到钨酸铋中，以形成含金属铋空位的超薄纳米片。其研究表明铋空位的存在会在禁带中产生新的缺陷能带，并在价带最大值处形成更高的态密度，从而导致电荷载流子浓度和电子电导率增加。在光催化领域，有关阴离子缺陷的报道有很多，而关于阳离子缺陷的报道很少并且目前所报道的光催化剂均只是包含单一离子的表面缺陷。

本发明提出一种具有铋、氧双空位的钨酸铋复合光催化剂结构及其制备方法。本专利申请首次制备铋空位、氧空位共存的钨酸铋纳米片状半导体材料。合成的铋、氧双空位修饰的钨酸铋拓宽其可见光吸收范围、降低了光生电荷载流子与空穴的复合率。同时，铋缺陷与氧缺陷可作为光催化CO₂反应的活性位点。实施例证明这种含有双缺陷诱导的钨酸铋光催化剂对于CO₂吸附和光催化还原具有积极的影响。本发明的重点在于设计了一种通过稳定可靠的方式合成金属阳离子缺陷和非金属阴离子缺陷共存的新型钨酸铋光催化剂材料。这种通过在水热法制备钨酸铋的前驱体溶液中添加具有还原性质溶剂处理的方法工艺简单，合成的缺陷在氧环境下耐久性影响较小，操作方便、结构稳定，不受所添加的其他掺杂剂干扰影响。可适用于大部分金属氧化物半导体光催化剂，是一种理想的光催化表面缺陷构造技术，应用前景非常广泛。