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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

自从1972年日本的两位科学家fujishima 和 honda发现tio₂的水裂解现象以来，世界各国的科学家一直致力于光催化的研究。半导体大多是n型半导体材料（当前以为tio₂使用最广泛）都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(valence band,vb)和导带(conduction band, cb)之间存在一个禁带(band gap)。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式k=1240/eg(ev)的关系,因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e^-)和空穴(h )。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物co₂和h₂o,甚至对一些无机物也能彻底分解。光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物。利用光催化净化技术去除空气中的有机污染物具有以下特点：1.直接用空气中的氧气做氧化剂，反应条件温和（常温 常压）2.可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效果彻底。3.半导体光催化剂化学性质稳定，氧化还原性强，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长。光催化净化技术具有室温深度氧，二次污染小，运行成本低和可望利用太阳光为反应光源等优点，所以光催化特别合适室内挥发有机物的净化，在深度净化方面显示出了巨大的应用潜力。常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物，如tio₂, zno,cds,wo₃等，其中tio₂的综合性能最好，应用最广。tio₂具有良好的抗光腐蚀性和催化活性，而且性能稳定，价廉易得，无毒无害，是目前公认的最佳光催化剂。该项技术不仅在废水净化处理方面具有巨大潜力，在空气净化方面同样具有广阔的应用前景。

国内外研究现状

在过去的几十年间，各种各样的策略被用来尝试提高光催化剂的活性，其中包括：

结构控制，离子掺杂，异质结等等。mashtalir等人已经报道了采用联氨和尿素插入二维层状碳化物和碳氮化物，比如f-ti₃c₂, ti₃cn, tinbc ，它们统一称为mxene。他们报道制备的mxene纸张具有优异的电化学性能。并且，还有人报道 一些阳离子(比如，li , na , k 等等)能够插入到过渡金属二硫化物(比如，mos₂, ws₂, bi₂te₃等等) 的内层从而形成离子插入复合物，由于此类离子插入复合物具备优异的物理和化学性能，因此它们在很多领域具备很大的应用前景。华中师范大学的张礼知教授团队在在以往的研究经历中得知，单层bi₁₂o₁₇cl₂的[bi₁₂o₁₇]端面存在氧空位。因此他们团队通过插层的方式将单层金属相mos₂通过形成bi-s化学键的方式选择性地组装在单层bi₁₂o₁₇c_l2的[bi₁₂o₁₇] 端面上，构筑出独特[cl₂]-[bi₁₂o₁₇]-[mos₂] 二维双面双层异质结。在所组装的二维双层异质结中，单层bi₁₂o₁₇cl₂的内电场首先驱动光生电荷分离，其中光生电子和空穴分别流向[bi₁₂o₁₇] 端面和[cl₂] 端面。接下来，[bi₁₂o₁₇] 端面的电子随后沿着界面bi-s键转移到单层mos₂上驱动水分解产氢反应，而滞留在[cl₂] 端面的空穴则通过氧化有机牺牲剂被消耗掉。通过上述设计，该研究团队实现了光生电荷的分离、转移和表面反应整个流动过程的原子水平精确控制，将光生电荷寿命提高到3446 ns，420纳米可见光处的量子效率提高到36%，构建出一个高效的光催化产氢体系。他们还把把碳掺杂剂均相插入到bi₃o₄cl晶格内部来提高该材料的内电场强度，实现了碳掺杂bi₃o₄cl纳米片高达80%的体相电荷分离效率。该效率远高于所有已报道光催化剂的体相电荷分离效率。较强的内电场能够有效促进光生电子和空穴的分离，并且具有较强的局限能力阻止电子和空穴在从内到外的迁移过程中发生复合，最终获得较高的体相电荷分离效率。bi₂o₃作为一种可见光响应的光催化剂，它的直接带隙为2.8 ev。但是bi₂o₃的光催化活性没有想象的那么高效，因为bi₂o₃中光激发的电子与空穴可以很快的复合，使得有效的电子空穴数量减少。值得一提的是，bi₂o₃作为一种由[bi₂o₂]_n²ⁿ 组成的层状材料，它具备插入外来分子或者离子的特性。最近，我们课题组也通过向bi₂o₃插入硫酸根离子从而合成一种在紫外光照射下光催化活性较高的层状材料 bi₂o(oh)₂so₄，我们使得bi₂o₃的禁带扩宽为 bi₂o(oh)₂so₄ 的4.8 ev。

2. 研究的基本内容

1、查阅与光催化剂相关的国内外文献。

2、采用用xrd、xrf、sem等分析方法对硼酸氧铋的化学成分、显微形貌及物相进行分析。

3、使用温和

3. 实施方案、进度安排及预期效果

2015年11月到2016年1月底，查阅国内外文献，确定研究方案。

2016年2月，购置原材料，制备硼酸氧铋。

2017年3月-4月，进行xrdsem、紫外漫反射等数据测试。

4. 参考文献

[1] fujishima, a.; honda, k. nature 1972, 238, 37.

[2] xia, y.; xia, x.; peng, h.-c. j. am. chem. soc. 2015.

[3] xiong, z.; zhao, x. s. j. am. chem. soc. 2012, 134, 5754.