一种纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的制备方法，采用一步水热法简单可控地将花状的碳酸氧铋微球与纤维素纳米晶键合发展可调的表面氧空位(OVs)，OVs的引入使碳酸氧铋键合材料(CNC#BOC)大大增强了覆盖整个可见光区域的光吸收，并且大大提高了电荷分离和CO2吸附能力，提高CO2光催化还原的效率。并且该氧空位具有高稳定性，循环5次后性能仍趋于稳定。有望为开发用于太阳能光驱动转换的高效光催化材料提供新的参考。光催化材料提供新的参考。光催化材料提供新的参考。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的制备方法和应用

：
[0001]本专利技术涉及纳米新材料
，具体涉及一种纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的制备方法和应用。

技术介绍
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[0002]太阳能驱动的CO2转化为化学燃料为可再生能源的生产提供了可持续的途径。由于光催化剂光吸收差、电荷分离慢和表面反应位点低，开发高效催化剂以实现太阳能驱动的惰性CO2转化为有用燃料面临着巨大挑战。

技术实现思路
：
[0003]本专利技术的目的是提供一种纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的制备方法和应用，采用一步水热法将纤维素纳米晶与碳酸氧铋键合，调控表面氧空位和吸附位，从而改善其光催化还原CO2的性能，解决现有技术光催化材料还原CO2面临的的光吸收差、电荷分离慢和表面反应位点低的问题。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案予以实现的：
[0005]一种纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0006]a、将铋盐、柠檬酸完全溶解在酸性溶剂中，然后用氢氧化钠溶液调整上述溶液的pH为4
‑
9，搅拌均匀，得到混合溶液；
[0007]b、然后将纤维素纳米晶加入步骤a得到的混合溶液中，搅拌混合均匀进行溶剂热反应，120
‑
220℃反应4
‑
48h，优选地170
‑
200℃反应12
‑
24h，反应后离心分离、冷冻干燥后并收集粉末状样品。
[0008]优选，所述的铋盐是硝酸铋、卤化铋、硫酸铋或其结晶水合物中的一种。
[0009]优选，所述的铋盐是五水合硝酸铋。
[0010]优选，铋盐、柠檬酸、纤维素纳米晶的质量比为10
‑
14.56：2
‑
5：0.2
‑
0.6，更优选为：10:2
‑
3:0.2
‑
0.3。
[0011]优选，所述的步骤a的酸性溶剂为1
‑
4mol
·
L
‑1的HNO3溶液。
[0012]优选，所述的步骤a的氢氧化钠溶液的摩尔浓度为4
‑
12mol
·
L
‑1。
[0013]优选，所述的步骤b离心分离、冷冻干燥并收集粉末状样品包括以下步骤：离心分离得到样品粉末用去离子水洗3
‑
6次，再用乙醇洗1
‑
3次，然后用液氮快速冷冻放入冷冻干燥箱中，冷冻干燥6
‑
24h后收集粉末状样品。
[0014]本专利技术在酸性溶液中加入铋盐和柠檬酸，然后用氢氧化钠溶液调pH形成碳酸氧铋前驱体，然后加入纤维素纳米晶水热反应，纤维素纳米晶覆盖在碳酸氧铋的表面，使碳酸氧铋与纤维素纳米晶发生界面键合(碳酸氧铋表面的Bi(III)离子与纤维素表面的
‑
OH基形成稳定的共价化学键)，使之诱导碳酸氧铋表面形成氧空位(OVs)。OVs的引入使碳酸氧铋大大增强了覆盖整个可见光区域的光吸收，并且大大提高了电荷分离和CO2吸附能力；同时，带有大量羟基的纤维素纳米晶能够改善了催化剂表面与反应物CO2和H2O的相互作用。
[0015]本专利技术还保护所述的制备方法得到的纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料。本专利技术合成的材料具有较好的纳米花状微球结构，富含氧空位，其粒径为200
‑
400nm之间，具有高的可见光吸收范围、电荷分离快和CO2表面活性位点多等优势，因此能够很好的吸附CO2，具有优异的还原CO2的性能。与纯相的碳酸氧铋或纤维素纳米晶相比，具有最佳OVs浓度的纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料将CO2还原为CO的产率提高了52倍或90倍。并且该氧空位具有高稳定性，循环5次后性能仍趋于稳定。有望为开发用于太阳能光驱动转换的高效光催化材料提供新的参考。
[0016]因此本专利技术还保护所述纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的应用，应用于光催化还原CO2。
[0017]本专利技术的有益效果如下：
[0018]1)本专利技术采用一步水热法简单可控地将花状的碳酸氧铋微球与纤维素纳米晶键合发展可调的表面氧空位(OVs)和吸附位，OVs的引入使碳酸氧铋键合材料(CNC#BOC)大大增强了覆盖整个可见光区域的光吸收，并且大大提高了电荷分离和CO2吸附能力，表面纤维素纳米晶进一步增强了催化剂与反应物CO2和H2O的相互作用，从而提高CO2光催化还原的效率。
[0019]2)并且该氧空位具有高稳定性，循环5次后性能仍趋于稳定。有望为开发用于太阳能光驱动转换的高效光催化材料提供新的参考。
附图说明：
[0020]图1是实施例1得到的纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的扫描电镜图。
[0021]图2是实施例1得到的纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的紫外可见漫反射图
[0022]图3是实施例1得到的纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的CO2还原性能图。
具体实施方式：
[0023]以下是对本专利技术的进一步说明，而不是对本专利技术的限制。
[0024]实施例1：制备纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料
[0025]室温下，在30mL的1mol
·
L
‑1的HNO3溶液中加入1.5mmol的五水合硝酸铋，在磁力搅拌机的中高速下搅拌0.5小时搅拌溶解。在溶解完全后，将0.1440g柠檬酸加入到上述溶液中，搅拌均匀。然后用8mol
·
L
‑1的NaOH将上述溶液的pH调为6，搅拌均匀后，在上述乳白色溶液中加入0.0180g纤维素纳米晶，室温搅拌4h后，将所得的均匀溶液加入到50mL的不锈钢高压釜中，在180℃下反应24小时，反应后将样品离心分离，然后用去离子水洗3次，再用乙醇洗1次，然后用液氮迅速冷冻成固体，放入冷冻干燥箱中，干燥12h后收集粉末状样品。
[0026]CO2还原光催化性能测定：
[0027]常温下，将10mg制备的键合材料和2mL水去离子水加入100mL的带橡胶塞的石英瓶中，并通过机械泵将反应器中的空气释放3次，以确保石英瓶中CO2的纯度。使用强度为12W的LED蓝灯模拟太阳光进行光催化还原CO2反应。反应1小时后，使用配备FID检测器、TCD检测器和色谱柱(BYC
‑
04)的灵华GC
‑
9890B气相色谱仪分析CO、CH4和O2的产物量。测试结果如图3所示。该材料显示出CO为16μmol
·
g
‑1·
h
‑1CH4为0.1μmol
·
g
‑1·
h
‑1的还原产率，与纯相的碳酸氧铋和纤维素纳米晶相比，CO2还原为CO的产率分别提高了52倍和90倍，CO的选择性
接近100％远远强于纯相的碳酸氧铋材料和纤维素纳米晶材料。
[0028]实施例2
[0029]室温下，在30mL的1mol
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L
‑1的HN本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维素纳米晶键合碳酸氧铋材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：a、将铋盐、柠檬酸完全溶解在酸性溶剂中，然后用氢氧化钠溶液调整上述溶液的pH为4
‑
9，搅拌均匀，得到混合溶液；b、然后将纤维素纳米晶加入步骤a得到的混合溶液中，搅拌混合均匀进行溶剂热反应，120
‑
220℃反应4
‑
48h，反应后离心分离、冷冻干燥后并收集粉末状样品。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，铋盐、柠檬酸、纤维素纳米晶的质量比为10
‑
14.56：2
‑
5：0.2
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0.6。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，铋盐、柠檬酸、纤维素纳米晶的质量比为10:2
‑
3:0.2
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0.3。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的铋盐是硝酸铋、卤化铋、硫酸铋或其结晶水合物中的一种。5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的铋盐是五水合硝酸铋。6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖信，李静，左晓希，南俊民，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：