本发明专利技术一种颗粒均匀包覆的异质结型光催化材制备方法及应用，该方法以Ta、Ta2O5或TaON为核心，按照质量比0.001:1~1:1配料，加入到溶解有钽的卤化物的有机溶剂中，利用液体张力均匀包裹分散在核心表面形成异质结前驱体；加入到Na或K的液氨溶液中，以异质结前驱体和碱金属为反应原料进行原位的还原反应，形成Ta3N5包裹的异质结光催化剂；最后将异质结光催化剂在600~900℃热处理。制备的纳米异质结结构可见光光催化材料分解水与污染物降解的速率显著提高。本发明专利技术制备的可见光响应的Ta3N5颗粒均匀包覆的异质结光催化剂具有较高的光量子转化效率，用于太阳能转化利用和环境治理，在光解水制氢、空气净化及水处理等方面具有很好的应用前景和经济效益。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米异质结材料的制备以及在新能源领域的应用。具体涉及一种 Ta3N5颗粒均勻包覆在Ta、Ta205或TaON表面的异质结型光催化剂材料的制备方法以及该异质结材料作为光催化剂在太阳能可见光分解水中的应用。
技术介绍
目前人类所面临的最大问题是可持续发展，而能源和自然环境的保障是其关键。 现阶段光催化反应在环境治理和能源开发方面的研究颇为活跃。光催化反应指通过照射光催化剂，在价带和导带上形成氧化能力极强的光生空穴-电子对，从而将有机污染物降解， 或者将水分解为氢气和氧气。其中，T^2由于其禁带宽度适中、性质稳定、无毒副作用、成本低廉等优点而成为研究最为广泛的单一氧化物催化剂。但是由于TiO2的禁带宽度为3. 2eV, 吸收边在小于420nm的紫外光范围，极大的限制了其在富含可见光的太阳光下的应用。因此在实际应用中受到限制。因此，寻求具有高性能的可见光光催化材料将是光催化技术进一步走向实用化的必然趋势。为了提高可见光光催化材料的活性，目前主要集中在以下几个方面改变半导体的能带宽度，扩大光激发的波长范围，充分利用太阳能；建立顺畅的电荷传输通道，促进光生电子空穴分离，提高量子效率。常用的方法包括采用贵金属沉积、金属离子掺杂以及复合半导体等方法。提高光催化剂活性的关键是如何减少电子空穴的复合几率，而两种不同材料的半导体与半导体之间，半导体与金属之间的复合形成异质结便可以达到此目的。具有不同能级的导带和价带的异质结材料形成之后，光激发产生的电子和空穴便分别被迁移至异质结材料两端，从而实现了载流子的有效分离，光催化活性将显著提高。作为一种重要的金属氮化物及氮氧化物，由于N的2p轨道的作用，在可见光区有较强吸收能力，可用于光催化分解水。K. Domen等合成了一系列氮化物或氮氧化物，其主要 ^f Ta3N5 (Catalysis Today , 2003 , 78, 555-560)> TaON (Chemical Communications, 2003， 24， 3000)、Ge3N4 (Journal of the American Chemical Society, 2005， 127， 4150)、(Ga1^xZnx) (N1^xOx) (Journal of Physical Chemistry B, 2005, 109，20504)等。 Ta3N5因其特殊的能带结构被认为是优良的光催化分解水制氢材料。若能将可将光吸收的 Ta3N5这种半导体光催化剂引入异质结材料，必将极大的提高异质结光催化剂活性。本专利首次提出了一种可见光响应的Ta3N5颗粒均勻包覆在Ta、Ta2O5或TaON表面的异质结型光催化剂材料的有效方法，即通过低温液氨原位还原的方法制备Ta3N5勻覆包均的异质结型催化剂，该方法得到的异质结型光催化剂具有良好地分解水及有机污染物降解性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可见光响应的Ta3N5颗粒均勻包覆的异质结型光催化剂材料的制备方法，其特征在于原位合成纳米Ta3N5颗粒均勻包覆Ta、Ta2O5或TaON的异质结型高性能光催化剂材料。本专利技术的技术关键在于TaJ5颗粒均勻原位包覆，即通过选择钽的卤化物(TaCl5、 TaBr5等)和碱金属(Na、K等)、Ta、Ta205或TaON为原料以及合理的有机溶剂、设计原料组成配比合成均勻包覆的可见光光催化材料、优化工艺参数，以获取具有精细微观结构，建立起良好电荷传输轨道的可见光光催化材料。首先设计原料溶剂浓度，原料组成配比，在液氨溶液中合成纳米Ta3N5颗粒均勻包覆的纳米异质结粉体，通过热处理，主要控制热处理的工艺参数，包括热处理温度、热处理时间以及热处理气氛。本专利技术的技术方案是一种颗粒均勻包覆的异质结型光催化材制备方法，具体步骤是步骤1 将钽的卤化物以摩尔量为0.01 lmol/L加入到有机溶剂中，得到溶有卤化钽的有机溶剂，备用；其中，有机溶剂为氯仿、四氯化碳或者溴乙烷；所述钽的卤化物为TaCl5 或 iTaBr ；步骤2 将步骤1得到溶有卤化钽的有机溶剂与粒径为0. Γ5 μ m的Ta、Ta2O5或TaON 以质量比为0.001 1:1进行混合，待溶剂挥发后形成粉末，备用；步骤3 将步骤2得到混合粉末加入到K或Na的液氨溶液中，时间为0. 5^1. 5小时，得到纳米Tii3N5颗粒均勻包覆的纳米异质结粉体，其中，钽离子和K或Na的摩尔比为1 5 1 6 ； 步骤4 将步骤3所得纳米Ta3N5颗粒均勻包覆的纳米异质结粉体过滤在惰性气体或还原性气氛进行热处理，热处理温度为600 900°C，时间为广10小时，制备成Ta3N5颗粒均勻包覆的异质结光催化剂，其中，惰性气体为氮气或者氩气；还原气氛为氨气。本专利技术的另一目的是提供上述Ta3N5颗粒包覆的异质结光催化剂用于太阳能转化利用和环境治理的应用。光催化分解水性能测试方法在模拟太阳光300W氙灯照射下，用滤光片滤掉紫外光，带有水冷装置的反应器至于光源5cm处，用锡纸包住防止光线散射，常温常压，反应器的容量为300mL，水的体积为200mL，异质结光催化剂的用量为0. 5g/L 2g/L，反应过程中用磁力搅拌子搅拌，制氢时定量称取空穴牺牲剂Na2SO3,制氧时定量称取电子牺牲剂AgNO3, 加入La2O3调节体系的pH值，采用气相在线质谱仪检测(Hiden Analytical HPR20)，每10 分钟或者1小时对产生的气相产物进行检测，评价太阳能可见光催化分解水制氧的量子效率。光催化降解有机污染物性能测试方法在模拟太阳光300W氙灯照射下，用滤光片滤掉紫外光，带有水冷装置的反应器至于光源5cm处，用锡纸包住防止光线散射，常温常压，取IOOmL浓度为10mg/LMB溶液，加入0. 2g催化剂材料粉末，在无光照条件下机械搅拌 1小时，使溶液中MB在粉末表面达到吸脱附平衡。打开光源后，每5分钟或者10分钟取样 (每次4mL)，直到降解完毕。含有催化剂粉末的溶液经离心机离心分离后得到MB溶液，在紫外可见分光光度计(SHIMADZU UV-2550)上测定吸收光谱，监测MB的光催化脱色反应程度， 从而计算光照后溶液的降解率。本专利技术的有益效果是本专利技术制备的可见光响应的Ta3N5颗粒均勻包裹的异质结光催化剂具有高的制氧量子效率，按照本专利技术方法制备的异质结催化剂在牺牲剂的参与下分解水制氧的量子效率达到60%，完全光催化降解亚甲基蓝的时间最短只需30分钟。用于太阳能转化利用和环境治理，如光解水、空气净化及水处理等方面具有很好的应用前景和经济效益；本专利技术所制备的Ta3N5颗粒均勻包裹的异质结光催化剂材料具有更好的催化分解水的活性。附图说明图1为本专利技术所制备样品的透射电镜示意图。图2是实施例3与比较例1所制备样品在可见光下分解水制氧比较图。条件为催化剂用量0. 2 g，200 mL溶液，AgNO3牺牲剂，入射光波长等于420 nm士 15 nm。图3为实施例5和比较例2所制备样品在可见光下分别降解亚甲基蓝(MB)溶液的效果与MB自降解作用下的降解的比较图。条件为MB浓度10 mg/L，催化剂用量为0.2 g， 入射波长大于420 nm。具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱鸿民，王政，候军刚，焦树强，黄凯，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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