[发明专利]一种Ti离子掺杂TaO2

说明书

本发明公开了一种制备具有三维海胆状纳米结构Ti离子掺杂TaO₂F的方法，在光/电催化领域有极大的应用前景。属于纳米材料制备技术领域。所用原料为钽粉、钛粉、质量分数为40%的氢氟酸、分析纯乙酸和去离子水；（1）将钽粉、钛粉溶解于氢氟酸中，三者摩尔比为1:（0.1~1）:（1~11）；（2）将乙酸与水按体积比（0.4~10）：1混合均匀；并加入到步骤（1）所得到的含钽、钛和氟离子溶液中；（3）采用水热法，将上述溶液放入反应釜中，移置到烘箱中并升温至160~200℃，保温3~48小时。（4）待反应釜冷却至室温，所得产物经水和乙醇洗涤、离心并干燥后，即可得到Ti离子掺杂TaO₂F纳米材料。

技术领域

本发明涉及一种具有三维海胆状纳米结构的Ti离子掺杂TaO₂F材料的制备工艺，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

TaO₂F具有立方ReO₃结构，其中a=b=c=3.9Å，α=β=γ=90°；属于Pm-3m空间群；可认为是未失真的ABX₃钙钛矿结构，A位为空位，O和F原子占据相同的晶体学位置。TaO₂F材料密度很低，仅6.51g/cm³；其热膨胀系数接近于零。此外，TaO₂F材料在中红外区域（3-5mm）中无任何吸收带，因此可作为红外波段的透波材料。TaO₂F材料的禁带宽度为4.1 eV，是一种宽带隙半导体；可在发光二极管、光电探测器、压敏电阻、气体传感器等领域应用。

由于环境污染和对能源的日益需求，太阳能的转换和绿色能源可持续生产的相关研究引起了极大的关注。钽的氧化物具有合适的能带结构，优异的化学稳定性和光蚀性，因此被广泛用作制氢的光催化材料。尤其是具有立方晶体结构TaO₂F材料有利于光生电荷载流子的分离和电荷转移；因其具有A位空位，且Ta-O（F）-Ta键角接近180°。此外， F离子的掺入可改变钽氧化物的电子结构，促使光激发电子具有更强的还原能力，提高其在紫外-可见光区域的光催化活性。Xu 等人在论文“Complex-mediated synthesis of tantalum oxyfluoride hierarchical nanostructures for highly efficient photocatalytichydrogen evolution”中以TaF₅、异丙醇和去离子水为原料，采用水热法在100-220℃范围内，制备出由无定形的氟氧化钽球和单晶TaO₂F纳米棒所组成的球形分级纳米结构，其平均粒径约为300 nm。并且TaO₂F纳米棒在无定形钽氟氧化物球的表面上形核并沿着[100]生长；该结构具有高的比表面积（152.4 m² g⁻¹）。模拟太阳光照射实验表明所制备的TaO₂F纳米复合材料具有优异的光催化特性，在没有任何助催化剂的辅助的情况下，其光催化制氢效率达到1.95 mmol h⁻¹ g⁻¹；并且展示出良好的光催化稳定性。

此外，电解水反应被认为是制备氢气最有效的方法之一。目前,贵金属铂和氧化钌是最高效的HER和OER电催化剂，但是它们有限的储量和高昂的价格限制了商业应用。因此,开发高效廉价的非贵金属电催化剂具有非常重要的意义。TaO₂F作为非常稳定的过渡金属氧氟化物，可用作碱性介质OER的电催化剂。Xin Yue 等人在在论文“Highly stable andefficient non-precious metal electrocatalysts of tantalum dioxyfluoride usedfor the oxygen evolution reaction”表明TaO₂F材料表现出有效的电催化活性和优异的稳定性；是极具潜力的电催化剂候选材料。