[发明专利]一种阶梯型Bi-MOF-M/CdS/Bi2

说明书

本发明公开了一种阶梯型Bi‑MOF‑M/CdS/Bi₂S₃异质结可见光催化剂及其制备方法，属于环境和能源技术领域。本发明以微/纳分级结构的氨基功能化Bi‑MOF‑M微米球为模板，通过一步水热法在其表面同源诱导混合生长CdS和Bi₂S₃，简便制备了阶梯型Bi‑MOF‑M/CdS/Bi₂S₃异质结。CdS和Bi₂S₃优异的光吸收性能极大地拓宽了Bi‑MOF‑M的光吸收范围，且三者之间阶梯型分布的电势梯度为光生载流子提供了合理有效的迁移路径，从而有效提高了催化性能。此外，具有微/纳分级结构的阶梯型Bi‑MOF‑M/CdS/Bi₂S₃异质结既可以利用纳米级材料的优势提高催化活性，还可以利用微米级材料的特性便于催化剂的回收再利用，对有机污染物的矿化率高，是一种高效、易回收的实用型光催化剂。

技术领域

本发明属于环境和能源技术领域，具体涉及一种阶梯型Bi-MOF-M/CdS/Bi₂S₃异质结可见光催化剂及其制备方法。

背景技术

以太阳能为能源的光催化技术是一种可用于环境修复的绿色、可持续、高效且无污染的方法，近年来受到诸多关注。然而，大多数传统的半导体光催化剂只能吸收紫外光及部分可见光，因此拓宽光催化剂的光吸收范围变得尤其重要。另外，光生载流子的快速复合也是光催化技术工业化应用面临的一大障碍，因此提高光生载流子的分离效率也是十分必要的。光催化技术主要依靠光催化过程中产生的活性物种通过氧化还原反应对污染物进行降解，因此强氧化还原能力意味着较高的催化活性。然而，宽的光吸收范围意味着光催化剂需要有较窄的带隙，强氧化还原能力需要较宽的带隙，这导致了单组分光催化剂不可能同时满足这些条件。但是，异质结的构建可以结合不同组分的优点，克服单组分材料的一些缺陷。已有研究证明，异质结光催化剂因为光生载流子分离效率的提高相较于单组分催化剂显示出了较高的光催化活性。光生载流子从一个组分到另一个组分的迁移需要有合适的电势梯度，因此在异质结光催化体系的设计过程中，需要考虑催化剂能带结构的匹配程度。

金属硫化物通常比金属氧化物具有更高的导带位置和更宽的光吸收范围，因此受到了广泛的关注。但是较高的导带位置和较窄的光学带隙意味着金属硫化物的价带位置也较高，氧化能力受到限制，因此金属硫化物的光催化性能不尽如人意。在众多金属硫化物中，硫化镉 (CdS)是研究最多的可见光响应的光催化剂，其能带结构决定了它具有较宽的光吸收范围及较强的电子还原能力，但是其光催化活性依旧会受到光生载流子复合的限制。此外，硫化铋(Bi₂S₃)作为一种典型的n型半导体，因其优异的光生载流子的传导性能及较宽的光吸收范围在包括光催化在内的多个领域受到广泛关注，但与硫化镉类似，其催化活性也受到了光生载流子快速复合的限制。

光催化剂回收再利用也是光催化技术实际应用中不可避免的一大难题。通常情况下纳米级催化剂的催化活性更高，但是纳米级材料易团聚不易回收，容易造成二次污染。因此，开发一种兼具高催化活性且易于回收的光催化剂十分有必要。

发明内容