一种用于压电光催化的异质结复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于光催化剂领域，具体涉及一种用于压电光催化的异质结复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、基于硫化铜（cuxsy）的光催化作用可以有效降解有机污染物，尽管其具有优良的光学吸收特性，然而，其较高的光载流子重组率限制了其应用。为了提高其光催化效率，研究人员对硫化铜进行了一系列的筛选、合成和改性。然而，仅仅对光催化剂进行改性仍不足以有效提高其光催化效果。因此，可以尝试将光催化剂与其他技术相结合，激发其协同效应。最近，研究者们发现外部机械应力诱导的压电催化作用可以极大提高光催化效率。在外加机械应力作用下，压电材料内部发生极化并产生压电电位差，当压电作用与光催化结合时，压电材料中的极化电荷诱导极化电场产生，可以促进光生电荷的迁移与分离。同时，压电效应可以使催化剂与周围水溶液的电子态发生变化，促使催化剂中的电荷在固液界面向溶液转移，从而增强压电光催化体系中的传质。

2、来自层状silleín结构族的富铋bi4o5x2（x=br, i）具有简单的三明治结构，其中[bi4o5]2+层与双卤素离子板之间存在强的离子键相互作用，而相邻的卤素离子板之间存在范德华力连接。由于其独特的层状晶体结构和较窄的带隙，它们在光催化应用中得到了广泛的应用。值得注意的是，bi4o5x2具有单斜空间群p21的不对称晶体结构，具有独特的压电特性，具有通过压电催化方法将机械能转化为化学能的潜力。

3、近年来，光催化技术由于具有环保、低成本等优点，被认为是解决水污染的一种有前景的、可持续的方法。然而，由于光催化剂的光吸收能力差，光产生的电子-空穴对快速复合，大多数光催化剂的效率仍然很低。异质结工程在提高光生载流子的利用能力和提高光催化活性方面已成为一种很有前途的策略。异质结结构可以调节材料的能带结构，扩大材料的光响应范围，促进载流子的迁移，是提高光催化活性的最有效途径之一。

4、硫化铜（cus、cu2s、cu9s5）粉末状光催化剂具有窄带隙和优异的光电响应特性。以cu2o 晶体为硬模板，在离子交换或柯肯达尔效应的基础上制备出了具有多种微观结构的cu9s5材料，它们已被用作光催化剂、电池、超级电容器和传感器的核心部件。然而，尽管cu9s5 具有高活性铜物种和固有的稳定性，但其在高级氧化工艺中的应用潜力常因快速的光生载流子原位复合而被人们所忽视。

5、在富铋氧溴化铋（bi4o5br2）中，因其独特的夹层结构、优异的化学稳定性、良好的可见光捕获能力和合适的带状结构而被视为一种极具吸引力的光催化材料。bi 和 o 含量的增加会调节电导率和价带，有利于电子传输并提高催化活性。此外，由于其非中心对称晶体结构（单斜体系，空间群 p21）有望表现出独特的压电特性。然而，开发高效、稳定的催化剂仍具有挑战性。因此，构建异质结和压电效应相结合是提高催化性能的有前途的策略。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法，以获得一种具有压电效应、界面电荷分离效率更高、制备方法简单、稳定性更好、可重复利用、可实现压电光催化降解有机污染物的异质结催化材料。

2、本发明的另一目的是提供一种用于压电光催化的异质结复合材料。

3、本发明的第三目的是提供一种用于压电光催化的异质结复合材料的应用。

4、本发明的技术方案是：

5、（一）

6、一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法，包括以下步骤：

7、a、首先将次水杨酸铋（c7h5bio4）通过磁力搅拌分散在乙醇中，然后将溴化钾溶解在超纯水中；在剧烈搅拌下，将溴化钾溶液滴加到次水杨酸铋分散液中，利用hcl和naoh调节混合液的ph值至10.0-12.0，持续搅拌后缓慢转移到聚四氟乙烯内衬水热反应釜中进行水热反应；待反应物冷却后过滤，用去离子水和乙醇洗涤，干燥，得到产物bi4o5br2；

8、b、将一定量bi4o5br2、乙酰丙酮酸铜和聚乙烯吡咯烷酮溶于一定体积的n,n-二甲基甲酰胺中，剧烈搅拌数分钟；然后向混合物中加入适量硫化铵，保持一定温度持续搅拌后得到粗产物；将粗产物离心，用乙醇、丙酮、去离子水分别洗涤3~6次，干燥，得到产物cu9s5/bi4o5br2，即用于压电光催化的异质结复合材料。

9、作为本发明的进一步改进，在步骤a中，次水杨酸铋和溴化钾的摩尔比为0.5-1:1。

10、作为本发明的进一步改进，在步骤a中，水热反应的温度为100-140℃，水热反应的时间为10-14 h。

11、作为本发明的进一步改进，在步骤a中，干燥温度为60~80 ℃，干燥时间为12-24h。

12、作为本发明的进一步改进，在步骤b中，bi4o5br2、乙酰丙酮酸铜和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为5-10:5:8。

13、作为本发明的进一步改进，在步骤b中，持续搅拌时保持温度在160-180℃，磁力搅拌6-8 h。

14、作为本发明的进一步改进，在步骤b中，干燥温度为40~60℃，干燥时间为12-24 h。

15、（二）

16、一种用于压电光催化的异质结复合材料，由上述一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法制得。

17、（三）

18、一种用于压电光催化的异质结复合材料在压电光催化降解废水中的有机污染物的应用。

19、进一步地有机污染物为双酚a。

20、本发明的有益效果是：本发明通过构建异质结将bi4o5br2和cu9s5复合，构造出一种具有压电效应、界面载流子分离能力更强、吸光范围覆盖全可见光谱、催化活性更高的光催化纳米复合材料—cu9s5/bi4o5br2。cu9s5是一种在近红外区域都有光学吸收的半导体催化材料，且带隙较窄，但单一材料电荷分离效率低；bi4o5br2材料具有独特的层状晶体结构，良好的可见光吸收及合适的能带结构被认为是具有较好应用前景的光催化材料，并且bi4o5br2的非中心对称结构赋予其独特的压电性能，但该特性往往被研究者忽视，导致其作为压电体的潜力未被充分利用。将bi4o5br2和cu9s5复合，成功实现cu9s5/bi4o5br2复合光催化纳米材料的光生电子-空穴对在异质界面发生分离，避免了单一cu9s5催化纳米材料存在的带隙中电子-空穴重组问题，而在外加机械应力的作用下，压电材料bi4o5br2内部发生极化并产生压电电位差，当压电作用与光催化结合时，压电材料中的极化电荷诱导极化电场产生，可以促进光生电荷的迁移与分离。通过异质结的构建更加有效地增强异质结界面电荷分离与电子转移，大幅提高光催化活性。最终，该cu9s5/bi4o5br2压电光催化体系实现了有效的污染物降解，且具有稳定性好、可重复利用的特点。

技术特征：

1.一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤a中，次水杨酸铋和溴化钾的摩尔比为0.5-1:1。

3. 根据权利要求1所述的一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤a中，水热反应的温度为100-140℃，水热反应的时间为10-14 h。

4. 根据权利要求1所述的一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤a中，干燥温度为60~80 ℃，干燥时间为12-24 h。

5.根据权利要求1所述的一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤b中，bi4o5br2、乙酰丙酮酸铜和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为5-10:5:8。

6. 根据权利要求1所述的一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤b中，持续搅拌时保持温度在160-180℃，磁力搅拌6-8 h。

7. 根据权利要求1所述的一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤b中，干燥温度为40~60℃，干燥时间为12-24 h。

8.一种用于压电光催化的异质结复合材料，其特征在于：由权利要求1-7中任一项所述的一种用于压电光催化的异质结复合材料的制备方法制得。

9.一种权利要求8所述的用于压电光催化的异质结复合材料在压电光催化降解废水中的有机污染物的应用。

10.根据权利要求9所述的一种用于压电光催化的异质结复合材料的应用，其特征在于：所述有机污染物为双酚a。

技术总结本发明公开了一种用于压电光催化的异质结复合材料及其制备方法和应用，属于光催化剂领域。制备方法：将次水杨酸铋分散在乙醇中，然后将溴化钾溶解在超纯水中；在搅拌下，将溴化钾溶液滴加到次水杨酸铋分散液中，调节混合液的pH值至10.0‑12.0，持续搅拌后进行水热反应；待反应物冷却后过滤，洗涤，干燥，得到产物Bi<subgt;4</subgt;O<subgt;5</subgt;Br<subgt;2</subgt;；将Bi<subgt;4</subgt;O<subgt;5</subgt;Br<subgt;2</subgt;、乙酰丙酮酸铜和聚乙烯吡咯烷酮溶于N,N‑二甲基甲酰胺中，搅拌；然后向混合物中加入硫化铵，持续搅拌后得到粗产物；将粗产物离心，洗涤，干燥，得到产物Cu<subgt;9</subgt;S<subgt;5</subgt;/Bi<subgt;4</subgt;O<subgt;5</subgt;Br<subgt;2</subgt;，即用于压电光催化的异质结复合材料。该复合材料在压电光催化降解废水中的有机污染物的应用。技术研发人员：艾伟,段旭,薛丹,雷楷,师旭军,周晓斌,祁学玲,宋海东,李有凡受保护的技术使用者：中国市政工程西北设计研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/20