[发明专利]一种具有晶面协同效应的Z型异质结光催化纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于光催化技术领域，公开了一种具有晶面协同效应的Z型异质结光催化纳米材料及其制备方法和应用。本发明采用化学还原法结合沉积法制备的材料中，二维g‑C₃N₄和二维BiOBr纳米片以Ag纳米颗粒作为电子转移介质耦合在一起，催化剂表面高度暴露了BiOBr‑{001}晶面，由此得到的g‑C₃N₄@Ag@BiOBr不仅遵循Z型界面转移机制，保持了较强的氧化还原能力，且高度暴露的BiOBr‑{001}晶面表现出优异的晶面协同作用，具有更宽的光吸收范围、强大的界面电荷转移、更长的光生电子‑空穴寿命和更好的罗丹明6G降解性能。

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，尤其涉及一种具有晶面协同效应的Z型异质结光催化纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

为了解决环境问题，减少全球能源危机，开发高效的清洁能源，光催化技术在这些努力中发挥了重要作用。然而，如何构建高效的光催化剂，是光催化研究中一个重要而又具有挑战性的问题，这可为光催化剂的先进设计、制备和有效应用提供一般性指导。为了实现高效的光催化剂，由两种半导体和电子介质组成的Z型光催化剂非常具有前景，并引起了广泛的关注。与传统的光催化体系相比，它们具有更高的电荷分离能力，并能提高氧化还原能力。例如，g-C₃N₄/Ag/Bi₂MoO₆、Bi₅FeTi₃O₁₅/Ag/g-C₃N₄、g-C₃N_4/Au/Cd_xZn_1-xS、 BiVO₄/Ag/Cu₂O等复合材料均表现出良好的光催化活性。然而，关于具有晶面协同效应的Z型催化剂的构建却鲜有报道。光催化反应是发生在催化剂表面的物理和化学过程。不同的催化剂晶面表面原子排列不同，使得暴露晶面的原子状态、能级和表面能不同，从而产生不同的光催化性能。因此，通过控制Z型催化纳米复合材料的合成，有意地暴露出特定的高活性高能晶面，从而有可能大大提高催化活性、选择性和稳定性。

近年来，层状的BiOX(X＝Cl,Br,I)光催化剂具有较强的氧化能力和较高的稳定性，具有广阔的应用前景。Bi₂O₂的(Bi₂O₂)²⁺层和双分子层的卤素原子通过离子键沿[001]方向交替排列，而相邻的卤素原子则通过范德华力成键。 (Bi₂O₂)²⁺层与卤素原子层之间的不对称电荷分布产生内部电场，能有效地将光致电子-空穴对沿[001]方向分离，促进电荷从体相转移到表面参与光反应。因此，具有高暴露度{001}活性晶面的BiOX表现出很强的光催化活性。在 BiOX中，具有高暴露度{001}平面的BiOBr具有合适的带隙(2.75eV)，可以在可见光下获得较高的光催化氧化还原性能，因此是构建Z型材料的理想候选材料。

为了构建能够充分吸收和利用太阳光的Z型催化剂，应考虑将具有窄带隙的半导体作为异质结组成成分。二维g-C₃N₄具有无限扩展的π电子共轭平面结构，具有良好的电子传导性，具有较大的比表面积和优异的吸附性能。因此，它可以作为异质结系统中的一种很好的候选材料。此外，在Z型体系的构建中，值得强调的是异质结体系的固体电子介质对有机降解的催化效率也是至关重要的。由于表面等离子体共振(SPR)的独特性质及其诱导的局部电场，桥接Ag纳米粒子(Ag NPs)可以拓宽光谱吸收，促进光电子转移。因此，如何构建一种具有晶面协同效应的Z型异质结光催化纳米材料对光催化技术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有晶面协同效应的Z型异质结光催化纳米材料及其制备方法和应用，解决现有技术提供的光催化材料可见光催化效率低、污染物降解性能差的问题。