[发明专利]一种兼具金属铋和氧空穴双活性位点的溴氧化铋光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种兼具金属铋和氧空穴双活性位点的溴氧化铋光催化剂及其制备方法和应用。乙二醇与水为溶剂合成的溴氧化铋光催化剂（命名为Bi/OV‑BiOBr‑(010)），该催化剂兼具金属铋和氧空穴双活性位点，且具有协同作用，具有较高的光催化降解效率。相对于以甲醇/乙醇与水为溶剂及其自身300℃煅烧后得到的样品(分别命名为OV‑BiOBr‑(001),OV‑BiOBr‑(010),BiOBr‑(010)),Bi/OV‑BiOBr‑(010)，Bi/OV‑BiOBr‑(010)活化分子氧降解磺胺甲恶唑的反应速率常数达0.037/min,是OV‑BiOBr‑(001)的2.90倍，是OV‑BiOBr‑(010)的1.96倍，是BiOBr‑(010)的2.36倍。

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，具体涉及一种兼具金属铋和氧空穴双活性位点的溴氧化铋光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

高级氧化技术（AOPs)通过原位生成的活性氧(ROS)可有效去除水中有机污染物。但大多数AOPs需要额外加入氧化剂产生ROS，易造成水体二次污染。分子氧(O₂)是地球上最经济、最良性的污染物减排氧化剂之一。但由于自旋禁止反应，O₂ 在自然状态下几乎不氧化污染物。 将分子O₂ 活化产生ROS，是降解污染物的有效策略。AOPs中的光催化技术以其高效、安全、环保等特点被认为是一种很有前途的催化技术，更适于有机污染物的降解。以廉价的半导体为催化剂，以太阳能为能源的光催化技术，是一种绿色、经济的活化O₂的方法。但一些催化剂由于电子-空穴复合速率高，其效率仍然有限。

由等离子体金属和半导体组成的等离子体光催化剂可以通过表面等离子体共振(SPR)和肖特基效应有效地提高电荷分离效率。目前等离子体光催化剂中采用的等离子体金属多为贵金属，如Au、Ag、Pd等。具有SPR效应的等离子体半金属铋(Bi)具有廉价易得、电子输运特性好等独特优势，有望成为贵金属的理想替代品。Bi金属作为电子受体和给体，同时接受氧空穴(OV)驱动的局域电子，并将热电子注入到BiOBr中，促进界面电荷分离转移。

除了有效的电荷分离外，促进O₂在催化剂表面的吸附也是有效的O₂活化的关键。OV诱导产生大量局域电子有利于 O₂的激发；表面OV捕获电子或空穴，以抑制光生电子空穴对的复合；吸附于OV的吸附质表面瞬态电子可显著降低界面电荷转移的能垒。

BiOBr是一种典型的层状材料，由一层[Bi₂O₂]板和两层卤素原子板交错而成，具有可调的表面原子配位。然而，目前还缺乏一种金属Bi和OV共修饰型BiOBr光催化剂的一步合成法。其结构的可调性可能会实现金属Bi和OV双活性位点同时在BiOBr表面形成。通过合成条件的优化可一步合成Bi/OV-BiOBr-(010)并实现高效的分子氧活化及有机污染物去除。

发明内容

鉴于此，本发明要解决的问题在于提供一种兼具金属铋和氧空穴双活性位点的溴氧化铋光催化剂及其制备方法和应用，合成过程简单，具有较高的光催化活化分子氧降解有机污染物的效率。

本发明提供的一种兼具金属铋和氧空穴双活性位点的溴氧化铋光催化剂Bi/OV-BiOBr-(010)的一步合成法，包括以下步骤：

 (A) 将铋源加入醇溶液中，搅拌均匀得溶液A；

 (B) 将溴源加入超纯水中，搅拌均匀得溶液B；

 (C) 将溶液B加入溶液A中，搅拌均匀得到混合溶液。

 (D) 将上述混合溶液在高压条件下进行水热反应，自然冷却后分离、洗涤、干燥，得到兼具金属铋和氧空穴双活性位点的溴氧化铋。

优选地，铋源为五水合硝酸铋，溴源为溴化钾，两者摩尔比为1：1。

优选地，所述醇为乙二醇。