[发明专利]CATON型可见光全解水催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料的制备技术领域，具体地说是涉及一种CATON型可见光全解水催化剂的制备方法。

背景技术

随着全球人口的不断增长和对生活期望的提高，如果社会继续以现有方式使用能源，科学家们估计到2050年全世界的总能量消耗将翻一番以上。化石燃料是一种不可持续的资源，我们必须打破对它的依赖。其中，太阳能是最有潜力的替换能源。面临的挑战是：如何能使对太阳能的利用达到所需的规模。光催化全解水(photocatalytic overall water splitting)是光催化领域中的热点研究课题。通常采用溶于溶液中的纳米结构光催化剂颗粒，在溶液中通过与这些颗粒的接触，发生一系列的化学催化反应，最终完全分解水生成氢和氧。此方法区别于采用分立的涂敷催化剂的电极来制氢和氧的常用方法。光催化全解水的最主要优点在于其使用的光催化材料比光电化学(PEC)电池所要求的材料更便宜。因此，广泛、规模使用时更可以承受得起，工业化前景更乐观。

在众多的半导体光催化剂中，TiO₂因其化学性质稳定、催化活性高、无毒、价格低廉等优点，在降解污染物和消毒系统的应用领域中被认为是最具有开发前景的光催化材料。但是，TiO₂的禁带宽度 (3.2 eV) 较宽，吸收波长主要集中在紫外光区( <387 nm)。在到达地面的太阳能中，这个波段的能量不足5%，而可见光部分的比例却占到了太阳能的45%左右，因此TiO₂的光催化性能对太阳能的利用效率较低。此外，由于其光生电子和空穴的复合几率较高，导致量子效率较低，从而限制了TiO₂光催化剂在实际中的应用。如何提高光催化效率并且能有效吸收可见光是光催化领域研究的焦点问题。

光催化全解水关键的挑战之一是大部分光催化材料只有在用紫外光活化下才有活性，而对可见光则没有活性。钙钛矿结构的过渡金属氮氧化物（比如基于铌和钽的半导体材料）作为一种新型高效可见光的光催化剂也越来越得到人们的重视。由于氮原子参与能带结构的形成，使得禁带宽度变窄，可以作为可见光响应的半导体光催化剂（Kudo, A.; Miseki, Y., Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting. Chem Soc Rev, 2009,38 (1): 253-278）。

发明内容

本发明旨在提供一种可见光全解水催化材料的制备方法，以解决目前可见光全光解水效率低、利用太阳能不充分的问题。本发明通过利用燃烧辅助剂，实现了低温固相煅烧制取CATON粉体的工艺过程。通过多组对比试验，发现了助催化剂和氮气抑制剂在全解水反应中起着重要作用。本发明制备方法同样可以应用于和CATON相似的光解水催化材料的化学合成研究，且具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明是这样实现的。

一种CATON型可见光全解水催化剂的制备方法，系将可溶性钙盐、可溶性铝盐、可溶性钽盐及燃烧辅助剂在甲醇水混合溶液中充分溶解后，直接在马弗炉中程序升温发生燃烧反应，并在高温阶段保持一定时间，自然冷却后形成前驱物，然后将所述前驱物进行氮化高温处理后，得到CaAl_1/4Ta_3/4O_5/2N_1/2钙钛矿型（ABX₃）氮氧化物固溶体，可以认为是50%的CaTaO₂N和50%的CaAl_1/2Ta_1/2O₃所形成的固溶体材料，缩写为CATON；以CaAl_1/4Ta_3/4O_5/2N_1/2主催化剂，光照搅拌后，先负载助催化剂，再包覆氮气抑制剂，即制成目的产物。

作为一种优选方案，本发明将可溶性钙盐、可溶性铝盐、可溶性钽盐及燃烧辅助剂的摩尔比为4：1：3：20～200。

进一步地，本发明所述可溶性钙盐为氯化钙或硝酸钙中的一种或其混合物。

进一步地，本发明所述可溶性铝盐为氯化铝或硝酸铝中的一种或其混合物。

进一步地，本发明所述可溶性钽盐为五氯化钽或五乙氧基钽中的一种或其混合物。

进一步地，本发明所述燃烧辅助剂为尿素或柠檬酸中的一种或其混合物。