一种氯化镧熔盐介导的氮化钽光阳极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种LaCl

A lanthanum chloride molten salt mediated tantalum nitride photoanode and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种氯化镧熔盐介导的氮化钽光阳极及其制备方法
本专利技术属于光电催化领域，具体涉及一种LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极及其制备方法。
技术介绍
光电化学(PEC)水分解作为一种将太阳能转化为氢气氧气形式的化学能的策略，已引起人们的广泛关注，为可再生能源的开发提供了一条可行的技术路线。这其中Ta3N5具有与析氢析氧电位匹配良好的能带结构、足够的光吸收(～2.1eV)、低成本和环境友好等优点，是一种很有前途的候选材料。然而，表面/体内的缺陷和载流子复合限制了其性能的发挥。在最近的研究中，Ta3N5光阳极主要由阳极氧化的Ta2O5纳米管、沉积的Ta2O5纳米棒或碱金属钽酸盐氮化而成，并获得了令人欣喜的光电流。然而，直接氧化再氮化金属钽片的传统方法这些年几乎没有突破性进展。这种传统的方法是最适合大规模工业化生产的。掺杂和异质结是改善Ta3N5光电化学性能的两种有效手段。掺杂可以通过电荷补偿有效地抑制Ta3N5中的氧缺陷，而异质结则通过其能带差异造成的电势驱动力促进光生载流子分离(特别是与各类Ta基钙钛矿型氮氧化物)。如何结合这些手段来改进传统的氧化氮化钽金属片方法以获得高性能的光电极迫在眉睫。本专利技术通过LaCl3熔盐介导的方法，实现了Ta3N5表面的掺杂与异质结改性，成功提升了光电催化性能，为传统制备方法提供了新思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低成本，制备周期短，光电催化性能优异的LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极的制备方法。本专利技术的LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极的制备方法，包括预先氧化、LaCl3熔盐介导、Ta3N5光阳极制备；具体包括如下步骤：1)预先氧化：在丙酮、乙醇和去离子水中分别对Ta箔进行超声清洗处理，然后在空气中退火，形成一层氧化层；2)LaCl3熔盐介导：配置LaCl3溶液；将步骤1)中氧化过的Ta箔放置在加热板上，随后在Ta箔上逐滴滴加LaCl3溶液；当溶剂蒸发后，在Ta箔上会形成一层致密、光滑、半透明的LaCl3薄膜，获得前驱体。3)Ta3N5光阳极制备：将步骤2)中的前驱体在氨气氛中进行热处理，得到LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极。其中，所述步骤1)中的退火温度为450-550℃，时间为30-120分钟。所述步骤2)中的LaCl3溶液，溶剂可为甲醇、乙醇、丙酮等非水溶剂，浓度为0.1-2M，滴加量为10-1000uL。所述步骤3)中的热处理反应温度为900℃，时间为0.5-10小时，气氛为高纯氨气，纯度至少为99％。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术中，制备了结晶质量高、光电催化性能优异的LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极，较未经熔盐处理的Ta3N5光阳极性能更为优异。2)在LaCl3熔盐的作用下，可以使Ta3N5更好地结晶，并在表面形成LaTaON2和掺La的Ta3N5，形成了更好的异质结能带排列的同时，也抑制了表面载流子复合，其表面载流子度提升了一个数量级。3)进一步负载Co3O4的助催化剂之后，在模拟太阳光(AM1.5G,100mWcm-2)照射下，在1MNaOH电解液中实现了8.2mAcm-2@1.23Vvs.RHE的光电流。据我们所知，这是Ta箔直接氧化再氮化法制备的Ta3N5的最高光电流响应。4)本专利技术提供的LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极上获得了与精细微纳结构的光阳极相当的光电化学性能，这将会有极大的有利于大面积、低成本的光电阳极的生产制造。附图说明图1为本专利技术制备的LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极表面形貌扫描电子显微镜SEM图片；图2为本专利技术制备LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极和未经处理的Ta3N5光阳极的XRD图谱；其中(a)为有/无LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极XRD图谱和，(b)为31°左右的局部放大图；图3为本专利技术制备的LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极和未经处理的Ta3N5光阳极的光电催化分解水性能曲线，测试环境为1MNaOH溶液；其中(a)为电流-电位曲线，(b)为1.23Vvs.RHE时的光电流-时间曲线；具体实施方式下面结合附图，通过实施例对本专利技术作进一步的说明。应理解，以下实施例只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为本专利技术保护范围的限制，本领域的技术人员根据本专利技术的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本专利技术的保护范围。下述实施例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文实施例的具体数值。实施例1LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极制备.1)预先氧化：首先将Ta箔切割成12mm×10mm的尺寸，接着在丙酮、乙醇和去离子水中分别对Ta箔进行超声清洗处理，然后在空气中500℃退火1h，形成一层灰色的氧化层。2)LaCl3熔盐的添加：将步骤1)中氧化过的Ta箔放置在加热板上，随后在Ta箔上用移液枪逐滴滴加0.5M的LaCl3溶液100uL。当溶剂蒸发后，会形成一层致密、光滑、半透明的LaCl3薄膜。3)LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极的制备：将步骤2)中的前驱体在氨气氛中进行热处理，并在900℃下保持5h，得到LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极，命名为La-Ta3N5。该LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极形貌如图1所示，电极片宏观上表现为红色吸光体，材料微观形貌为氮化物紧密地附着在金属Ta基底上，使其具有足够的导电性，氮化物厚度0.3-10um，表面有微量La元素存在。图2为该LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极与未经处理的Ta3N5光阳极的X射线衍射图谱，图中的衍射峰均归属于Ta3N5(PDF#79-1533)和Ta2N(PDF#26-0985)。Ta2N被认为是在Ta3N5/Ta界面中存在的导电相，并且没有发现其它导电相较差的Ta4N5或Ta5N6，可以预见具有更好的导电性的界面有利于载流子迁移。在31度左右的XRD图谱放大图中，该LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极存在一个与Ta3N5(023)峰相伴的一较弱信号峰对应于钙钛矿结构LaTaON2相的(200)峰(PDF#53-0960)。实施例2LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极性能测试.1)将实施例1得到的LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极，以氧化钴(Co3O4)为助催化剂对Ta3N5平板光阳极进行优化，通过改进的水热法在Ta3N5上进行水热沉积Co3O4纳米颗粒。2)光电催化性能测试：我们采用标准的三电极体系，在AM1.5G光照(1个标准太阳光)下，以1.23Vvs.RHE的电位进行计时电流测量。测试La-Ta3N5在1MNaOH溶液中的光电催化分解水性能(负载了助催化剂Co3O4的命名为La-Ta3N5-Co)。如图3所示，在LaCl3熔盐的辅助下，La-Ta3N5的光电流达到1.7mAcm-2。此外，在负载Co3O4助催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LaCl

【技术特征摘要】
1.一种LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在丙酮、乙醇和去离子水中分别对Ta箔进行超声清洗处理，然后在空气中退火，形成一层氧化层；
2)LaCl3熔盐的添加方法：配置LaCl3溶液，将步骤1)中处理过的Ta箔放置在加热板上，随后在Ta箔上逐滴滴加LaCl3溶液，当溶剂蒸发后，在Ta箔表面形成一层LaCl3薄膜，获得前驱体；
3)LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极的制备：将步骤2)中的前驱体在氨气氛中进行热处理，得到LaCl3熔盐介导的Ta3N5光阳极。


2.根据权利要求1所述的LaCl3熔盐介导的Ta3N5...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱丽萍，楼子瑞，覃超，梁容，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33