CN109665560A - 一种碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl及其制备方法和应用 - Google Patents
一种碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下步骤：将氯离子源、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮和尿素溶于溶剂中并混合，形成溶液A；将铋盐溶于溶剂中，形成溶液B；向溶液B中倒入溶液A形成前驱体溶液，搅拌均匀后再倒入反应釜中加热发生反应；将反应后的反应釜冷却至室温，获得沉淀，所述沉淀经洗涤、干燥，得到固体粉末；将该固体粉末倒入坩埚中，置于马弗炉中，以3‑5℃/min的升温速度升至350℃，保温，再将马弗炉降温至室温，获得灰黑色粉末，即BiOCl。采用水热法，利用尿素在反应过程中产生气体使晶格发生膨胀，同时使尿素进入到BiOCl晶格中，煅烧后形成碳和氮掺杂、全光谱吸收的BiOCl。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，更具体地，涉及一种碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl及其制备方法和应用。
背景技术
生活和工业各种污染物的排放和能源短缺危机的影响，对经济发展和人们的生活健康等方面造成极大的危害和限制。目前，利用各种光催化材料在光催化技术的作用下降解生活中的各种污染物、产生新的清洁能源成为环境和能源中的研究热点。
半导体光催化材料由于能耗低、适用范围广和环境友好的特点，在目前的环境光催化领域(例如，光降解水体中的有机污染物、重金属还原)引起的广泛的关注。BiOCl作为一种新型光催化剂，其晶体结构为[Bi2O2]2+层与双卤素层交替排列的三明治结构。BiOCl这种三明治结构在晶体生长过程中易于形成二维的层状形貌，这种层状形貌具有较大的比表面积、自由度和晶体取向的特点，能有效促使光生载流子的运输与分离，在光催化降解有机物、光电能源转换(例如，CO2还原，光解水产氢和固氮方面)等方面具有广阔的应用前景。然而，BiOCl的带隙宽度约为3.3eV，仅在太阳光中的紫外光激发，且重复性与稳定性较差，在光催化过程中光生载流子复合效率高，对其光催化应用领域和实际应用有很大的限制。目前，很多途径可促使BiOCl光吸收范围扩宽至可见区域，同时促使光生载流子分离效率提高，改善单一BiOCl纳米片的光催化性能。
如能将BiOCl纳米片的光吸收范围扩展至全光谱，更能在极大程度上促使BiOCl光吸收效率及光催化性能的提高，在光催化领域具有潜在的应用价值。
通过文献检索，目前未发现晶格间距增加、全光谱吸收BiOCl纳米片的制备方法的专利和文献报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl的制备方法，包括如下步骤：
将氯离子源、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮和尿素溶于溶剂中并混合，形成溶液A；
将铋盐溶于所述溶剂中，形成溶液B；
向溶液B中倒入溶液A形成前驱体溶液，搅拌均匀后再倒入反应釜中加热发生反应；
将反应后的反应釜冷却至室温，获得沉淀，所述沉淀经过洗涤、干燥，得到固体粉末；
将所述固体粉末倒入坩埚中，置于马弗炉中，以3-5℃/min的升温速度升至350℃，保温，再将马弗炉降温至室温，获得灰黑色粉末，即碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl。
在其中一个实施例中，所述氯离子源选自下列至少一种含氯物质：十六烷基三甲基氯化铵、氯化钾、氯化钠。
在其中一个实施例中，所述铋盐选自下列至少一种含铋物质：硝酸铋和氧化铋。
在其中一个实施例中，所述氯离子源和所述铋盐的摩尔量均为1-3mmol。
在其中一个实施例中，所述氯离子源和所述铋盐具有相同的摩尔量。
在其中一个实施例中，所述尿素的摩尔质量为10-30mmol。
在其中一个实施例中，在反应釜中加热升温至180℃，反应时间为3～24h。
本发明还提供了一种所述的制备方法所制得的碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl。
在其中一个实施例中，所述BiOCl的荧光寿命在200ns以上。
本发明还提供了一种所述的制备方法所制得的BiOCl或所述的BiOCl在光催化中的应用。
本发明的反应原理为：利用水热反应过程中气体的产生，促使所形成二维BiOCl纳米片的晶面间距增加，同时使含有碳和氮的小分子有机物在反应过程中进入到BiOCl晶格中。BiOCl晶格中的这些小分子有机物在经过空气气氛煅烧处理后，形成晶格中碳和氮掺杂的BiOCl纳米片。这种晶格间距增加、碳和氮掺杂的BiOCl纳米片在全光谱区域具有光吸收。
本发明具有如下有益效果：提供了一种全光谱吸收的BiOCl纳米片的制备方法，所制备BiOCl的晶型为四方晶相，沿[001]晶向的晶面发生明显膨胀，这种晶格膨胀是由于碳和氮掺杂进入BiOCl纳米片[001]晶向的晶格中，使其在全光谱区域有吸收。其次，本发明所制备的全光谱吸收的BiOCl纳米片具有延长载流子寿命的特点，其荧光寿命可达到247ns；最后，该方法反应时间短，操作工艺简单、反应条件温和，对环境污染低。
附图说明
图1为本发明所制备全光谱吸收BiOCl纳米片的XRD图；
图2为本发明所制备全光谱吸收BiOCl纳米片的DRS图；
图3为本发明所制备全光谱吸收BiOCl纳米片的荧光寿命图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
对比例1
将2mmol十六烷基三甲基氯化铵、0.25g接枝聚电解质高分子聚乙烯亚胺和0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解在50ml乙二醇溶液中并混合，超声形成溶液A；
将2mmol硝酸铋溶解于乙二醇溶液中，超声溶解形成溶液B；
在磁力搅拌机的作用下，将溶液A快速的倒入溶液B中形成浅乳白色胶状前驱体，该前驱体在磁力搅拌30min后转移到体积为100ml的聚四氟乙烯反应釜中，并在180℃下反应3h；
将反应后的反应釜冷却至室温后，所得的沉淀经过去离子水、无水乙醇和丙酮洗涤、80℃干燥24h后，得到常规紫外吸收BiOCl纳米片(BiOCl NSs)。
实施例1
将2mmol十六烷基三甲基氯化铵、0.25g接枝聚电解质高分子聚乙烯亚胺，0.5g聚乙烯吡咯烷酮和10mmol的尿素溶解在50ml乙二醇溶液中并混合，超声形成溶液A；
将2mmol硝酸铋溶解于乙二醇溶液中，超声溶解形成溶液B；
在磁力搅拌机的作用下，将溶液A快速的倒入溶液B中形成浅乳白色胶状前驱体，该浅白色乳状前驱体在磁力搅拌30min后转移到体积为100ml的聚四氟乙烯反应釜中，并在180℃下反应3h；
将反应后的反应釜冷却至室温后，所得的沉淀经过去离子水、无水乙醇和丙酮洗涤、80℃干燥24h后，得到浅黄色固体粉末；
将所得的浅黄色固体粉平铺在坩埚底部，置于马弗炉中，马弗炉从室温开始以3-5℃/min的升温速度升至350℃，然后在该温度下保温30min，再将马弗炉温度降至室温，最终得到灰黑色粉末(BiOCl-10NSs)。
图1为本发明对比例1和实施例1中制备的常规BiOCl纳米片(BiOCl NSs)和全光谱吸收BiOCl纳米片(BiOCl-10NSs)的XRD衍射图。从图中可以看出，所制备的常规紫外吸收的BiOCl纳米片为纯四方晶相BiOCl(JCPDS No.06-0249)，各主要晶面的衍射峰非常明显，说明其结晶度良好，且该纳米片沿(102)晶面取向生长。对比，全光谱吸收BiOCl纳米片的XRD衍射图，其大部分晶面向较小的衍射角发生偏移，表明其晶格间距增加、晶格发生膨胀。
图2为本发明对比例1和实施例1中所制备常规BiOCl纳米片(BiOCl NSs)和全光谱吸收BiOCl纳米片(BiOCl-10NSs)的紫外可见漫反射图(DRS)。从图2可以看到，所形成常规的BiOCl纳米片仅在紫外区域有吸收，而灰黑色BiOCl-10NSs纳米片则在全光谱有吸收。
图3为本发明对比例1和实施例1中所制备常规BiOCl纳米片(BiOCl NSs)和全光谱吸收BiOCl纳米片(BiOCl-10NSs)的荧光寿命图。常规BiOCl纳米片的荧光寿命分别为147ns，而全光谱吸收BiOCl纳米片的荧光寿命则为245ns，几乎是常规BiOCl纳米片的2倍，这表明全光谱吸收BiOCl纳米片在光催化过程中具有更有效分离的光生载流子效率，这为BiOCl纳米片在进一步光催化、光电转换等功能材料领域中具有巨大的潜在应用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将氯离子源、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮和尿素溶于溶剂中并混合，形成溶液A；
将铋盐溶于所述溶剂中，形成溶液B；
向溶液B中倒入溶液A形成前驱体溶液，搅拌均匀后再倒入反应釜中加热发生反应；
将反应后的反应釜冷却至室温，获得沉淀，所述沉淀经过洗涤、干燥，得到固体粉末；
将所述固体粉末倒入坩埚中，置于马弗炉中，以3-5℃/min的升温速度升至350℃，保温，再将马弗炉降温至室温，获得灰黑色粉末，即碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氯离子源选自下列至少一种含氯物质：十六烷基三甲基氯化铵、氯化钾、氯化钠。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铋盐选自下列至少一种含铋物质：硝酸铋和氧化铋。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氯离子源和所述铋盐的摩尔量均为1-3mmol。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氯离子源和所述铋盐具有相同的摩尔量。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述尿素的摩尔质量为10-30mmol。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在反应釜中加热升温至180℃，反应时间为3～24h。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的制备方法所制得的碳、氮掺杂的全光谱吸收的BiOCl。
9.根据权利要求8所述的BiOCl，其特征在于，所述BiOCl的荧光寿命在200ns以上。
10.如权利要求1至7任一项所述的制备方法所制得的BiOCl或权利要求8-9任一项所述的BiOCl在光催化中的应用。
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