一种Ta3N5薄膜的制备方法及Ta3N5薄膜的应用技术

本发明专利技术公开了一种Ta3N5薄膜的制备方法，采用金属Ta片先化学腐蚀再氧化氮化的方法制备Ta3N5薄膜。本发明专利技术还公开了制备的Ta3N5薄膜的应用，将该Ta3N5薄膜作为光阳极用于太阳能分解水制氢。本发明专利技术通过化学腐蚀的引入一方面消除了金属Ta表面的富氧层，从而减少了最终制备的Ta3N5薄膜表面的载流子复合中心，减少了光生载流子表面复合；另一方面腐蚀造成金属Ta表面粗糙度增加，从而增加了最终制备的Ta3N5薄膜的表面粗糙度和比表面积，增大了电解液和Ta3N5薄膜的接触面积。本发明专利技术提高了Ta3N5薄膜的光吸收效率、光生载流子分离效率及载流子传输效率，Ta3N5光阳极的光电流及量子转化效率均有大幅提高。

Preparation of Ta3N5 thin film and application of Ta3N5 film

The invention discloses a method for preparing Ta3N5 thin film, and uses Ta method to prepare Ta3N5 film by chemical corrosion, reoxidation and nitridation. The invention also discloses the application of the prepared Ta3N5 film, and uses the Ta3N5 film as the anode for hydrogen production from solar decomposition water. By introducing the chemical corrosion while eliminating the oxygen rich layer of metal Ta surface, thereby reducing the carrier recombination centers on the surface of Ta3N5 film was prepared, reducing the surface recombination of photogenerated charge carriers; on the other hand, corrosion caused by metal Ta surface roughness increases, thereby increasing the surface of Ta3N5 films prepared by the final the roughness and surface area, increasing the contact area of the electrolyte and Ta3N5 films. The invention improves the optical absorption efficiency, the carrier separation efficiency and the carrier transport efficiency of the Ta3N5 film, and the photocurrent and the quantum conversion efficiency of the Ta3N5 light anode are greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种Ta3N5薄膜的制备方法及Ta3N5薄膜的应用
本专利技术涉及一种Ta3N5薄膜的制备方法及Ta3N5薄膜的应用，属于太阳能分解水制氢

技术介绍
人类目前赖以生存的化石能源储量有限，并且化石能源的使用会排放出CO2、硫化物等污染物。因此，开发可替代化石能源的可再生的清洁新能源是人类社会可持续发展的迫切需要。太阳能是重要的可再生清洁能源之一。利用光电化学电池进行水分解产氢和氧，直接把太阳能转化为可存储的清洁化学能——氢能，具有诱人的应用前景。开发性能优异的光电极(包括光阳极和光阴极)材料是研发高效光电化学太阳能水分解电池的关键技术之一。且光电化学分解水制氢的关键是找到高效的n型光阳极材料。理想半导体光阳极材料要具有合适的带隙，能够利用太阳光中的大部分能量，并且具有高的转化效率、耐腐蚀性强等。到目前为止，能够同时满足上述条件的光阳极材料少之又少。氧化物半导体光阳极，如报道较多的TiO2、WO3、BiVO4等材料可见光利用率低，在1.23V下的光电流都小于4mA/cm2，其太阳能转化效率低。氮化物半导体与广泛研究的氧化物半导体相比具有更窄的带隙，能够利用太阳光中占大部分能量的可见光，成为近年来重点关注的一类光阳极材料。Ta3N5带隙为2.1eV，光吸收带边在600nm；并且其价带位置低于O2/H2O的氧化还原电位，导带位置高于H+/H2的氧化还原电位，如果不需外加偏压，其理论光电流可达13mAcm2，理论太阳能转化效率可达15.9％，是很有潜力的n型光阳极材料。但由于光吸收效率低、光生载流子分离、传输效率低等因素的存在，目前报道的Ta3N5的光电化学性能还远低于理论值，还有很多关键科学问题和技术有待解决。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种简单、高效、低成本的Ta3N5薄膜的制备方法，将此方法制备的Ta3N5薄膜作为光阳极，利用太阳光分解水产氢，提高Ta3N5分解水产氢光电流及量子转化效率。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种Ta3N5薄膜的制备方法，其特征是，采用金属Ta片先化学腐蚀再氧化氮化的方法制备Ta3N5薄膜。进一步地，该制备方法包括以下步骤：(1)将金属Ta片放入碱性溶液中进行化学腐蚀，碱性溶液通过油浴加热；(2)将腐蚀后的金属Ta片取出，用去离子水冲洗，并用乙醇和去离子水分别超声震荡，用以除去表面腐蚀残留物；(3)上述步骤(1)和(2)重复3次；(4)将腐蚀后的金属Ta放入箱式炉中，在空气气氛下加热，得到Ta2O5/Ta；(5)把得到的Ta2O5/Ta放入管式炉中，在氨气气氛下加热，得到Ta3N5/Ta。进一步地，上述步骤(1)中，所述的碱性溶液为40％的KOH水溶液。进一步地，上述步骤(1)中，所述的油浴加热保持在110℃，腐蚀时间为1小时。进一步地，上述步骤(2)中，所述的超声震荡时间为30分钟。进一步地，上述步骤(4)中，在550℃～560℃的温度范围内，在空气气氛下加热30分钟。进一步地，上述步骤(5)中，在850℃的氨气气氛下加热8小时。本专利技术还提供了一种Ta3N5薄膜的应用，其特征是，将该Ta3N5薄膜作为光阳极用于太阳能分解水制氢。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术通过化学腐蚀的引入一方面消除了金属Ta表面的富氧层，从而减少了最终制备的Ta3N5薄膜表面的载流子复合中心，减少了光生载流子表面复合；另一方面腐蚀造成金属Ta表面粗糙度增加，从而增加了最终制备的Ta3N5薄膜的表面粗糙度和比表面积，增大了电解液和Ta3N5薄膜的接触面积。上述两方面因素提高了Ta3N5薄膜的光吸收效率、光生载流子分离效率及载流子传输效率，最终Ta3N5光阳极的光电流及量子转化效率均有大幅提高。本专利技术的方法简单、成本低、易于大规模使用、效率高。附图说明图1是本专利技术所制备的化学腐蚀-氧化氮化Ta3N5(实施例)及已报道的单纯氧化氮化方法制备的Ta3N5(对比实施例)的XRD图。图2是本专利技术涉及的化学腐蚀前后，金属Ta的光致发光谱。图3是本专利技术涉及的化学腐蚀-氧化氮化法制备的Ta3N5(实施例)及单纯氧化氮化法制备的Ta3N5(对比实施例)的光致发光谱。图4是化学腐蚀前后金属Ta的表面SEM图；化学腐蚀-氧化氮化法制备的Ta3N5(实施例)及单纯氧化氮化法制备的Ta3N5(对比实施例)的表面及截面SEM图。图5是不同扫描速度下化学腐蚀-氧化氮化法制备的Ta3N5(实施例)及单纯氧化氮化法制备的Ta3N5(对比实施例)的电容电流。图6是本专利技术涉及的化学腐蚀-氧化氮化法制备的Ta3N5(实施例)及单纯氧化氮化法制备的Ta3N5(对比实施例)的紫外可见吸收光谱；图7是本专利技术涉及的化学腐蚀-氧化氮化法制备的Ta3N5(实施例)及单纯氧化氮化法制备的Ta3N5(对比实施例)在不同波长下的电荷分离效率；图8是本专利技术涉及的化学腐蚀-氧化氮化法制备的Ta3N5(实施例)及单纯氧化氮化法制备的Ta3N5(对比实施例)的电化学阻抗谱。图9是本专利技术涉及的化学腐蚀-氧化氮化法制备的Ta3N5(实施例)及单纯氧化氮化法制备的Ta3N5(对比实施例)的光电流-电势曲线，电解液：1MNaOH水溶液，光源：AM1.5太阳光模拟器；图10是本专利技术涉及的化学腐蚀-氧化氮化法制备的Ta3N5(实施例)及单纯氧化氮化法制备的Ta3N5(对比实施例)在不同波长下的量子转化效率，电解液：1MNaOH水溶液，光源：全幅氙灯。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。实验之前，把金属Ta片分别在乙醇、丙酮、去离子水里超声并冲洗。对比实施例将清洗过的Ta片在空气气氛下在箱式炉中550℃的温度下加热30分钟，得到Ta2O5/Ta；随后将得到的Ta2O5/Ta放入管式炉中，在氨气气氛下，在850℃加热8小时，得到比表面积较小的Ta3N5/Ta。此样品用作本专利技术所涉及的化学腐蚀-氧化氮化法制备的Ta3N5的对比样品，用来说明问题。实施例将清洗过的Ta片放入40％的KOH水溶液中进行化学腐蚀，KOH水溶液温度通过油浴加热保持在110℃，腐蚀时间为1小时；将腐蚀后的金属Ta片取出，用去离子水冲洗，并用乙醇和去离子水分别超声震荡30分钟，用以除去表面腐蚀残留物；上述腐蚀及清洗步骤重复3次；将腐蚀后的金属Ta放入箱式炉中，在550℃～560℃的温度范围内在空气气氛下加热30分钟，得到Ta2O5/Ta；最后将得到的Ta2O5/Ta放入管式炉中，在850℃在氨气气氛下加热8小时，得到比表面积大的Ta3N5/Ta。经过以上的步骤得到了比表面积不同的Ta3N5薄膜，我们对这些薄膜进行了各项表征，图1-10是对不同制备条件下得到的Ta3N5薄膜的表征结果。其中，光电化学测试采用的是标准的三电极体系，Ta3N5作阳极，铂金Pt作阴极，SCE电极作参比电极，AM1.5G太阳光模拟器或是500W的氙灯作光源，用上海辰华CHI633C电化学工作站测得电流-电势曲线。半导体电极的量子转化效率(IPCE)定义为光生电子数与入射光子数的比值，可由以下公式得到：其中Iph是光电流密度，P是光强，λ是入射光的波长。采用光强计(Newport,840-C)测试光强，用单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ta3N5薄膜的制备方法，其特征是，采用金属Ta片先化学腐蚀再氧化氮化的方法制备Ta3N5薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种Ta3N5薄膜的制备方法，其特征是，采用金属Ta片先化学腐蚀再氧化氮化的方法制备Ta3N5薄膜。2.根据权利要求1所述的一种Ta3N5薄膜的制备方法，其特征是，该制备方法包括以下步骤：(1)将金属Ta片放入碱性溶液中进行化学腐蚀，碱性溶液通过油浴加热；(2)将腐蚀后的金属Ta片取出，用去离子水冲洗，并用乙醇和去离子水分别超声震荡，用以除去表面腐蚀残留物；(3)上述步骤(1)和(2)重复3次；(4)将腐蚀后的金属Ta放入箱式炉中，在空气气氛下加热，得到Ta2O5/Ta；(5)把得到的Ta2O5/Ta放入管式炉中，在氨气气氛下加热，得到Ta3N5/Ta。3.根据权利要求1所述的一种Ta3N5薄膜的制备方法，其特征是，上述步骤(1)中，所述的碱性溶液为40%的K...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明雪，李艳，夏往所，韩奎，王洪涛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32