一种BP/Bi5O7I异质结及其制备方法和应用

本发明属于光催化，涉及一种bp/bi5o7i异质结制备方法及其应用。具体涉及一种利用bp/bi5o7i异质结光催化制取h2o2。

背景技术：

1、过氧化氢是最为绿色高效的氧化剂之一，被广泛应用于精细合成、生物制药、环境修复等众多领域。传统工业化生产h2o2法面临生产成本高、储运困难和高危险性等问题，因此探寻更为高效、经济、安全的h2o2生产方法迫在眉睫。光催化制取h2o2以光作为驱动力，具有经济、节能、环保等优点已成为研究热点。bp具有和石墨烯类似的二维层状结构，bp纳米片具有较高的载流子迁移率、可调的带隙和强的光吸收特性，自从2014年首次成功剥离2d超薄bp纳米片以来引起了世界范围内的广泛关注。少层bp对空气和水比较敏感，极易被氧化分解，导致其光催化活性大幅降低，严重影响其实际应用。bi5o7i是一种具有高效光催化性能的新型半导体，富含表面缺陷，具有合适的能带位置、独特的层状结构。我们以bi5o7i基础构建bp/bi5o7i异质结，能显著提高其稳定性，拓宽其可见光响应范围、增强光生电子-空穴对的分离效率，在光催化技术领域展现出优良的光催化性能，具有单一光催化剂无法比拟的优势，对于光催化水分解制取h2o2具有重要实际意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有材料稳定性及催化性能的不足，提供一bp/bi5o7i异质结材料，该材料可见光吸收能力强、光生电子-空穴分离效率高、稳定性好、能高效光催化水分解制取h2o2。还提供了一种bp/bi5o7i异质结制备方法，该制备方法简单、设备要求低、实验条件易控制。以解决现有光催化剂制备方法复杂，对设备要求高，且稳定性及催化活性较为一般的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种bp/bi5o7i异质结材料，所述bp/bi5o7i异质结是以纳米级bi5o7i为载体，表面修饰bp纳米片。

4、所述bp/bi5o7i异质结中的bi5o7i与bp纳米片的质量比为100:1～100:20。

5、作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种bp/bi5o7i异质结的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤一：取红磷、sn粉、sni4于石英管中，真空封口，水平放置在管式炉中，高温加热后自然冷却到室温即得到块状bp，除去副产物得到纯净的黑磷晶体；

7、步骤二：取纯净的黑磷晶体于研钵中研磨，然后将其分散在无水乙醇中，后转移至密封不锈钢球磨罐中研磨，离心得到黑磷纳米片；

8、步骤三：取超纯水、乙二醇混合溶剂，加入黑磷纳米片搅拌溶解，加入五水硝酸铋溶解后，再加入ki，接着用naoh溶液调节溶液ph值，继续反应，离心收集白色沉淀，分别用乙醇和超纯水清洗多次，真空干燥过夜即得bp/bi5o7i异质结。

9、上述步骤一中，所述红磷、sn粉、sni4质量比为50：2：1；所述石英管为：内径0.5～2cm、管长5～10cm、厚1～5mm；所述加热程序为：0.5～5℃/min的速度升温到650℃，加热1～5h，然后以0.1～2℃/min速度降到450℃，保持2～6h，后自然冷却到室温；所述副产物除去方法为甲苯溶液中多次超声并回流20～120min。

10、上述步骤二中，取0.05g～0.5g纯净的黑磷晶体于研钵中研磨；所述研钵中研磨时间为15～30min；所述无水乙醇的体积为5～30ml；所述不锈钢球磨罐体积为50ml，球磨用直径分别为10mm和5mm共计50～500g不锈钢球；所述球磨速率为300～1000rpm，球磨时间为2～10h；所述离心为：首先以5000～8000rpm离心除去大颗粒的黑磷，然后以10000～20000rpm离心分离，沉淀即为黑磷纳米片。

11、上述步骤三中，所述超纯水与乙二醇的体积比为1：1，所述五水硝酸铋的质量为0.1～3g，ki的质量为0.01～0.5g，黑磷纳米片质量为0.1～500mg；所述naoh溶液的浓度为0.5～5m；所述ph值为10～12；所述反应为常温搅拌反应；所述反应时间为2～10h；所述离心速率为5000～8000rpm；所述真空干燥温度为50～80℃，时间为5～20h。

12、本发明还提供了一种bp/bi5o7i异质结的应用，所述bp/bi5o7i异质结用于制取h2o2，具体方法如下：称取bp/bi5o7i异质结于双层烧杯中，超纯水溶解后超声分散，加入异丙醇作为牺牲剂，黑暗条件下通入氧气以达到吸附平衡，在300w氙灯照射下反应，即可制取h2o2。

13、上述应用中，所述bp/bi5o7i异质结的质量为10～500mg，超纯水为18～900ml，异丙醇为2～100ml，超声分散时间为2～20min，通入氧气平衡时间为10～300min，反应温度控制为室温。

14、上述应用中，所制得h2o2含量的分析方法如下：分别于反应时间内分段吸取反应液，离心分离，吸取上层清液，利用酸性条件下高锰酸钾滴定分析计算产生的h2o2含量。

15、上述分析方法具体如下：反应时间定为20h，分段取样时间分别为反应进行0～2h、2～6h、6～10h、10～20h，每次取样的取样量为25ml，离心速率为6000rpm，每次取上层清液20ml，所述酸性环境为加入5ml 0.5～5mol l-1的h2so4，所述滴定用高锰酸钾浓度为0.1～2mmol l-1。

16、上述分析计算产生的h2o2含量得依据：8h2o计量关系计算h2o2含量，公式为：单位为mmol/l·g。

17、与现有技术相比，本发明将黒磷纳米片与bi5o7i复合形成异质结，所得的bp/bi5o7i异质结吸光能力强、光生电子-空穴分离效率高、氧化还原能力强、稳定性好，具有很好的应用前景，其制备方法简单、设备要求低、实验条件易控制，适合工业大规模制备，本发明还利用bp/bi5o7i异质结在异丙醇作为牺牲剂条件下，氙灯光照可以高效生成h2o2，具有经济、节能、环保，操作简单等优点，具有很好的应用前景。

技术特征：

1.一种bp/bi5o7i异质结，其特征在于所述bp/bi5o7i异质结是以纳米级的bi5o7i为载体，表面修饰黑磷纳米片(bpnss)。

2.根据权利要求1所述的bp/bi5o7i异质结，其特征在于，bp/bi5o7i异质结中bi5o7i与黑磷纳米片的质量比为100:1～100:20。

3.如权利要求1或2所述bp/bi5o7i异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述红磷、sn粉、sni4质量比为50：2：1；所述石英管为：内径0.5～2cm、管长5～10cm、厚1～5mm；所述加热程序为：0.5～5℃/min的速度升温到650℃，加热1～5h，然后以0.1～2℃/min速度降到450℃，保持2～6h，后自然冷却到室温；所述副产物除去方法为甲苯溶液中多次超声并回流20～120min。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，取0.05g～0.5g纯净的黑磷晶体于研钵中研磨；所述研钵中研磨时间为15～30min；所述无水乙醇的体积为5～30ml；所述不锈钢球磨罐体积为50ml，球磨用直径分别为10mm和5mm共计50～500g不锈钢球；所述球磨速率为300～1000rpm，球磨时间为2～10h；所述离心为：首先以5000～8000rpm离心除去大颗粒的黑磷，然后以10000～20000rpm离心分离，沉淀即为黑磷纳米片。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述超纯水与乙二醇的体积比为1：1，所述五水硝酸铋的质量为0.1～3g，ki的质量为0.01～0.5g，黑磷纳米片质量为0.1～500mg；所述naoh溶液的浓度为0.5～5m；所述ph值为10～12；所述反应为常温搅拌反应；所述反应时间为2～10h；所述离心速率为5000～8000rpm；所述真空干燥温度为50～80℃，时间为5～20h。

7.权利要求1所述bp/bi5o7i异质结的应用，其特征在于，所述bp/bi5o7i异质结用于制取h2o2，具体方法如下：称取bp/bi5o7i异质结于双层烧杯中，超纯水溶解后超声分散，加入异丙醇作为牺牲剂，黑暗条件下通入氧气以达到吸附平衡，在300w氙灯照射下反应，即可制取h2o2。

8.根据权利要求7所述应用，其特征在于：所述bp/bi5o7i异质结的质量为10～500mg，超纯水为18～900ml，异丙醇为2～100ml，超声分散时间为2～20min，通入氧气平衡时间为10～300min，反应温度控制为室温。

9.权利要求7所制得h2o2含量的分析方法，其特征在于：分别于反应时间内分段吸取反应液，离心分离，吸取上层清液，利用酸性条件下高锰酸钾滴定分析计算产生的h2o2含量。

10.根据权利要求9所述分析方法，其特征在于，具体方法如下：反应时间定为20h，分段取样时间分别为反应进行0～2h、2～6h、6～10h、10～20h，每次取样的取样量为25ml，离心速率为6000rpm，每次取上层清液20ml，所述酸性环境为加入5ml 0.5～5mol l-1的h2so4，所述滴定用高锰酸钾浓度为0.1～2mmol l-1。

技术总结本发明提供一种BP/Bi<subgt;5</subgt;O<subgt;7</subgt;I异质结制备方法及其应用于光催化制取H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;。以红磷为反应前驱体采用化学气相转移法制备块体黑磷，块体黑磷采用球磨法得到黑磷纳米片(BPNSs)。将BPNSs搅拌溶解于乙二醇与超纯水的混合溶剂中，加入Bi(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;3</subgt;·5H<subgt;2</subgt;O搅拌溶解，然后加入KI搅拌形成均匀混合溶液，接着用NaOH溶液调节溶液pH至11，继续搅拌反应，离心分离，沉淀分别用水和乙醇洗滴，真空干燥即得BP/Bi<subgt;5</subgt;O<subgt;7</subgt;I异质结。BP/Bi<subgt;5</subgt;O<subgt;7</subgt;I异质结稳定性好、载流子的分离效率高、具有超强的可见光响应能力等优点。本发明利用BP/Bi<subgt;5</subgt;O<subgt;7</subgt;I异质结在异丙醇作为牺牲剂条件下，氙灯光照可以高效生成H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;，具有经济、节能、环保等优点。技术研发人员：冯建,冉霞,王丽,肖勃,张克琴,冯广卫受保护的技术使用者：贵州医科大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23