[发明专利]一种多孔Ta3

说明书

本申请公开了一种多孔Ta₃N₅单晶材料，所述多孔Ta₃N₅单晶材料中含有10nm～1000nm的孔；所述多孔Ta₃N₅单晶材料的表面为多孔Ta₃N₅单晶的(002)面、(023)面、(041)面中的至少一面。并公开了多孔Ta₃N₅单晶薄膜和/或多孔Ta₃N₅单晶晶体的制备方法，该方法操作简单、重复性好、可规模化生产。所述多孔Ta₃N₅单晶材料具有自支撑结构，为块状单晶时，作为一种新材料，提高了Ta₃N₅的光吸收效率、光生载流子分离效率及载流子传输效率，显著提高了Ta₃N₅光阳极的光电流及量子转化效率，在光电转换，催化，电催化领域以及电化学能源存储系统中都有潜在的应用。

技术领域

本申请涉及一种多孔Ta₃N₅单晶材料及其制备方法和应用，属于无机材料领域。

背景技术

Ta₃N₅具有适当的带隙和宽的光吸收区域以及良好的化学稳定性和输运性能，在太阳能转化电能和化学能方面受到广泛关注。Ta₃N₅的带宽为2.1eV，合适的帯谱位置使在没有外部偏压的情况下，仍是光电化学电池中有前途的光阳极。然而，光阳极中电子空穴的快速复合是导致载流子寿命不足以维持表面光化学反应的基本挑战。

在辐照下有效地抑制Ta₃N₅电子/空穴的快速复合，需要瞬间分离电荷，有效地将它们输送到氮化物表面，并在表面光化学反应中有效利用它们。重组中心以缺陷的形式存在，特别是多晶氮化物材料中大量的颗粒边界。除了这些缺陷区域不利的电子/空穴复合外，纳米尺度的单晶粒之间的晶状边界显著阻碍了电荷载体的传输。电荷载体的扩散长度通常在～0.1-1μm的范围内，因此需要氮化物材料的尺寸在特定纳米尺度内分布，最终促进电荷扩散从体相到氮化物表面。此外，在光化学反应中，有效利用表面上的扩散电荷对减少电子和空穴的复合也起着关键作用。表面光化学反应是在氮化物表面进行的，同时需要足够大的表面积来为这些化学反应提供足够的空间。

大尺寸多孔Ta₃N₅单晶，结合了结构的一致性和较大的表面积，可以显著降低晶界处的电子空穴复合，从而大大提高其光电电化学性能。晶格结构的长期有序使得氮化钽不受晶界限制，从而在最大程度上显著降低了电子空穴的散射和复合。在多孔结构中，直径约50-100纳米的Ta₃N₅单晶骨架与电荷扩散长度非常吻合，从而极大地提高了激发条件下电子和空穴的分离和收集效率。多孔氮化钽单晶可以作为集成的光阳极，完全消除了传统电极组装中半导体与导电玻璃基板之间的接触界面。Ta₃N₅单晶多孔微观结构中的三维互联孔为表面光化学反应提供了足够的空间，除了大大降低了辐照下电荷和光子的散射外，还能高效地利用所收集的电荷。

Ta₃N₅属于典型的n-型半导体，在光化学电池中进行氧化反应，具有良好的光阳极功能。在辐照条件下，Ta₃N₅表面的光生空穴会将水氧化成OH^·自由基，再氧化成氧，同时将电子运至对电极在外置偏压下进行析氢。在氧气形成之前利用高活性的OH^·中间体提供了一个独特的机会来激活稳定的化学键，包括烷烃中典型的C-H键。而利用高活性的OH^·自由基将为在室温条件下激活C-H键提供了一条有前途的路线。