[发明专利]一种可见光响应异质结材料的制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料合成技术领域，利用简单快速的热聚合法一步合成五氧化二钽与类石墨相碳化氮异质结光催化剂，可用于可见光下光催化分解水产氢。

背景技术

近年来，环境污染和能源紧缺等一系列全球性问题对人类的发展产生了越来越严重地影响，政府和科学家们正在寻求一种绿色可持续的有效替代方法来解决上述问题，在过去的近四十年里，光催化分解水制氢因具有经济、环保、可再生、安全等优点，已成为解决问题的热门研究课题，光催化技术利用绿色和无污染的太阳光能既可以实现分解水制氢，还可以分解污染物达到改善环境的目的，我们还知道，在太阳光谱中,紫外光仅占5％，而可见光的比例却高达43％，因此，开发可实际应用的可见光响应的半导体光催化剂是当前光催化研究领域的重要课题。

类石墨相非金属半导体碳化氮(g-C₃N₄)由于具有良好的化学与热稳定性、低廉的成本、安全无毒等特点，被公认为优秀的可见光响应光催化剂，在光催化领域受到了研究者们的极大关注。g-C₃N₄是一种无定形的碳氮化合物，带隙宽度为2.7eV左右，是一种良好的可见光响应非金属半导体材料，其在可见光催化分解水制氢方面的研究已有大量报道。但是，单一的g-C₃N₄材料由于其自身能带结构及其光生电子空穴复合率较快等缺点，降低了其光催化活性和可见光利用效率。构建g-C₃N₄基异质结体系，由于它能够有效地提高光生电子-空穴对的分离，进而改善其光催化产氢活性，是一种有效地提高其光催化性能策略。另一方面，五氧化二钽(Ta₂O₅)具有化学和热稳定性以及合适的导带位置，可作为一种高效的光催化剂。目前的研究发现少量的Ta₂O₅与半导体复合形成异质结能够显著地增强半导体光催分解水的性能，例如：NaTaO_3/Ta₂O₅,In₂O₃/Ta₂O₅和CdS/Ta₂O₅等。然而，到目前为止还没有Ta₂O₅与g-C₃N₄复合形成异质结分解水的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单快速的Ta₂O₅/g-C₃N₄异质结材料的合成方法，并将Ta₂O₅/g-C₃N₄用于可见光下光催化分解水制氢气的光催化材料。该方法以五氧化二钽和三聚氰胺为原料，利用一步热聚合法合成可见光响应的五氧化二钽与类石墨相碳化氮复合光催化材料。

本发明提供的一种可见光响应的Ta₂O₅/g-C₃N₄异质结材料的制备方法，主要包括以下几个步骤：

步骤1：称取三聚氰胺置于玛瑙研钵中，研磨均匀，得到样品A。

所述的研磨时间为5min。

步骤2：分别称取五氧化二钽和三聚氰胺置于玛瑙研钵中，研磨混合均匀，得到样品B。

所述的五氧化二钽和三聚氰胺的质量比为(2.5-10):100，研磨混合时间为5min。步骤3：分别将样品A和样品B转移于圆形坩埚中，并盖上坩埚盖子水平置于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至550℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，分别得到样品A¹和B¹。

所述的圆形坩埚容量为50mL。

步骤4：分别将样品A¹和B¹转移到玛瑙研钵中，研磨均匀，最终分别得到g-C₃N₄和Ta₂O₅/g-C₃N₄异质结样品。

所述的研磨时间为5min，得到均匀的粉体。