一种负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维光催化剂的制备方法及其应用

本发明，涉及一种负载黑磷量子点(bpqds)的氮化硼纳米纤维(bnnf)材料的制备方法及其应用，特指一种光催化剂的制备方法和应用。

背景技术：

1、随着工业技术和人口数目的快速发展，能源短缺问题和环境问题是人们目前亟需解决的问题。目前，现代社会的能源结构中化石燃料的燃烧占了极大的比重，必不可免的导致了二氧化碳(co2)的大量排放，这被认为是全球变暖的重要原因。在这个背景下，光催化技术引起了人们的关注。光催化co2还原技术是一项绿色的技术可以同时解决co2过量排放和能源短缺问题，起到一石二鸟的效果。

2、在催化领域中，氮化硼因为较大的比表面积，稳定的化学结构，廉价易得等特点，所以得到了广泛的研究，并且在光催化降解领域中已经出现了令人满意的应用效果。但是，氮化硼较宽的带隙、稀少的活性位点以及电子空穴对较快的复合等缺点都大大限制了氮化硼在光催化领域的应用。为了解决上述问题，简单而有效的方法就是引入助催化剂。一方面助催化剂可以有效降低催化反应中的势垒，另一方面助催化剂和催化剂间可以形成高效的内建电场，改善电荷载流子的传输能力，同时助催化剂的引入可以丰富基体催化剂的活性位点提高光催化效率。

3、常用的助催化剂是贵金属铂、金等，但是这些材料价格昂贵，反应后可能会造成二次污染。因此，在经济角度和环境角度来看开发和使用非金属助催化剂是具有发展前景的。近年来，黑磷量子点已经频繁用于光催化析氢领域。黑磷量子点不仅具有理想的消光系数而且较高的载流子迁移率。除此以外，独特的量子效应使其更适用于光催化领域。在引入黑磷量子点到氮化硼纳米纤维上后，在内建极化电场的作用下，出现能带倾斜，有利于电子空穴对的分离并有效提高催化反应的电流密度。同时，黑磷量子点的边缘态效应和反斯托克斯位移的性质能够帮助催化剂提高光利用率。

4、总的来说，本发明首次将黑磷量子点负载在氮化硼纳米纤维上制备出一种新型的非金属光催化剂并适用于光催化co2还原领域。

技术实现思路

1、本发明涉及一种负载黑磷量子点的光催化剂及其制备方法和应用，该方法以非金属材料氮化硼为载体，因具有较大的比表面积和丰富的微孔和介孔，为黑磷量子点的表面负载提供了保障，同时物理超声搅拌，制备了接触紧密且负载均匀的复合材料。此外，在合成过程中，负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维被成功制备。负载的黑磷量子点为光催化反应提供了更丰富的活性位点，改善了电荷载流子的表面富集能力，同时加快了催化体系中光生电子空穴对的分离能力。活性测试表明本发明所制备的负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维具有优异的光催化co2还原性能和良好的稳定性。

2、本发明的具体技术方案如下：

3、一种基于负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维的光催化剂的备方法，具体步骤如下：

4、(1)按比例将三聚氰胺和硼酸分散在超纯水中，水浴加热并搅拌直至完全溶解，然后自然降至室温并静置一段时间；将静置后的溶液冷冻干燥，得到白色的固体粉末，然后置于管式炉中，在氮气气氛下高温煅烧，得到氮化硼纳米纤维粉末bnnf；

5、(2)取一定量的超纯水用氩气鼓泡排氧后，加入块状黑磷，得混合溶液a，水浴超声和探针超声交替循环多次后，再进行最终的水浴超声后，高速离心处理，取上清液，得到黑磷量子点溶液；

6、(3)采用物理吸附法，将步骤(1)制备的氮化硼纳米纤维分散在氩气鼓泡排氧的超纯水中，得溶液b，然后在溶液b中加入步骤(2)制备好的黑磷量子点溶液，超声分散均匀后，进行磁力搅拌复合，将复合后的溶液冻干，得到负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维复合材料。

7、步骤(1)中，三聚氰胺和硼酸的摩尔质量比为1：1，溶解后三聚氰胺的浓度0.1mol/l；水浴的温度80～85℃，搅拌的转速为500-800rpm，静置的时间为30～60min；冷冻干燥时间为72～96h。氮气流速为200～300ml/min，升温速率为5℃/min，煅烧温度为900～950℃，煅烧时间为4h。

8、步骤(2)中，混合溶液a中，黑磷的浓度为1mg/ml；水浴超声的时间为1h，探针超声的时间为1h，重复6次，最终的水浴超声的时间为10～12h；高速离心的转速为7000-8000rpm，离心的时间为10～20min。

9、步骤(3)中，溶液b中，氮化硼纳米纤维的浓度为1mg/ml；黑磷量子点溶液的浓度为0.1mg/ml；溶液b和黑磷量子点溶液的体积比为5～20：1。

10、将本发明制得的负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维光催化剂用于光催化co2的用途。

11、本发明的有益效果为：

12、(1)该发明材料由于选取非金属材料氮化硼为载体，高的比表面积支持了黑磷量子点的负载，并且在负载前后都呈现一维的纤维状形貌，相比于其他无规则的纳米材料，这种特殊构建的零维和一维纳米结构，拥有高效的载流子迁移率和独特的传输方向，提升了材料的利用率。

13、(2)该发明材料由于黑磷量子点的负载，为反应提供了更丰富的活性位点，大大加快了催化体系中电荷载流子的分离和电子的传输，为电子的富集提供了保证。这类宽带隙半导体和窄带隙量子点的结合构建了类量子阱异质结构，这种独特的电子结构有效改善了催化剂的催化活性，提高了对光的利用率。

14、(3)该发明材料制备工艺简单易操作、未引入难处理的溶剂、反应条件温和。此外，本发明制备的负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维的设计中，用的均是非金属材料，大大降低了催化剂的制备成本，还具有较优异的活性和稳定性强的特点，应用前景广泛。

技术特征：

1.一种负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，三聚氰胺和硼酸的摩尔质量比为1：1，溶解后三聚氰胺的浓度0.1mol/l。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，水浴的温度80～85℃，搅拌的转速为500-800rpm，静置的时间为30～60min；冷冻干燥时间为72～96h。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，氮气流速为200～300ml/min，升温速率为5℃/min，煅烧温度为900～950℃，煅烧时间为4h。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，混合溶液a中，黑磷的浓度为1mg/ml。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，水浴超声的时间为1h，探针超声的时间为1h，重复6次，最终的水浴超声的时间为10～12h。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高速离心的转速为7000-8000rpm，离心的时间为10～20min。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，溶液b中，氮化硼纳米纤维的浓度为1mg/ml；黑磷量子点溶液的浓度为0.1mg/ml；溶液b和黑磷量子点溶液的体积比为5～20：1。

9.将权利要求1～8任一项制备方法制得的负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维光催化剂用于光催化co2的用途。

技术总结
本发明属于光催化材料制备领域，公开了一种负载黑磷量子点(BPQDs)的氮化硼纳米纤维(BNNF)光催化剂的制备方法及其应用。本发明非金属材料氮化硼为载体，因具有较大的比表面积和丰富的微孔和介孔，为黑磷量子点的表面负载提供了保障，同时物理超声搅拌，制备了接触紧密且负载均匀的复合材料。此外，在合成过程中，负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维被成功制备。负载的黑磷量子点为光催化反应提供了更丰富的活性位点，改善了电荷载流子的表面富集能力，同时加快了催化体系中光生电子空穴对的分离能力。活性测试表明本发明所制备的负载黑磷量子点的氮化硼纳米纤维具有优异的光催化CO<subgt;2</subgt;还原性能和良好的稳定性。

技术研发人员：姜志锋,刘喆旸,周敏,施伟东
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23