[发明专利]一种颗粒均匀包覆的异质结型光催化材制备方法及应用

说明书

技术领域

 本发明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颗粒均匀包覆在Ta、Ta₂O₅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。

背景技术

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，TiO₂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，其主要有Ta₃N₅（Catalysis Today , 2003 , 78, 555-560）、TaON（Chemical Communications, 2003, 24, 3000）、Ge₃N₄（Journal of the American Chemical Society, 2005, 127, 4150）、(Ga_1-xZn_x)(N_1-xO_x)（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颗粒均匀包覆在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匀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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光响应的Ta₃N₅颗粒均匀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颗粒均匀包覆Ta、Ta₂O₅或TaON的异质结型高性能光催化剂材料。