[发明专利]一种氧氮化合物异质结及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氧氮化合物异质结及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)制备第一前驱体，第一前驱体为AM₂Ta₃O₁₀或者ARTa₂O₇；AM₂Ta₃O₁₀中，A为Cs或Rb，M为Ca、Sr或Ba；ARTa₂O₇中，A为Cs或Rb，R为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y；(2)将第一前驱体采用液相剥离的方法制备第二前驱体；(3)将第二前驱体采用熔融盐处理或者水热处理，制备第三前驱体；(4)将第三前驱体氮化原位生成氧氮化合物异质结。本发明制备的氧氮化合物异质结尺寸相对较小，在光催化分解水反应中表现出更高的催化剂活性。

技术领域

本发明属于材料合成及可再生清洁能源利用领域，具体地，本发明涉及一种氧氮化合物异质结及其制备方法及其作为分解水光催化剂的用途。

背景技术

由于大量化石燃料的使用造成了能源消耗和环境问题不断增加，通过将水分解为氢气和氧气是解决未来化石燃料短缺和减少化石燃料消耗相关的环境污染的最重要的方法之一。水分解是由两个半反应组成，即析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。

(氧)氮化合物具有合适的带隙和导带/价带位置可用于分解水，被认为是一类极具吸引力的可见光响应光催化剂，但是这些(氧)氮化合物光催化剂一般采用高温固相法合成，不可避免地会产生阴离子空位或者低价金属物种，而阴离子空位或者低价金属物种通常被认为是复合中心，会降低光催化剂活性。Ta₃N₅是(氧)氮化合物光催化剂中的明星材料，其带隙为2.10eV，理论太阳能到氢能转化效率最高可达15.9％，但它仍受载流子快速复合的困扰，严重影响了它的光催化活性。因此，发展有效的策略(如构建异质结)来加速(氧)氮化合物空间电荷分离，提高其光催化分解水活性是非常有必要的。

构建异质结是太阳能电池或者太阳能燃料领域促进电荷分离的基本策略之一。异质结界面处产生的内建电场是光生电子空穴发生定向移动的驱动力，其成功构筑不仅仅取决于两种材料的相对能级位置，而且与两种物质的紧密接触界面密切相关。就氧氮化合物异质结而言，大部分已报道的例子均是采用机械混合的方式进行混合，两种物质的接触界面相对较少。解决此问题的思路主要包括两方面：1)利用可溶性盐溶液浸渍氧化物前驱体，在氧化物表面形成新的物质，氮化后得到氧氮化合物异质结，如以钡元素的盐溶液浸渍氧化钽，随后氮化得到BaTaO₂N/Ta₃N₅异质结。2)利用前驱体氧化物中钽元素与碱土元素比例不同，原位生成氧氮化合物异质结，如以KBa₂Ta₅O₁₀为前驱体模板，高温氮化原位生成0D/1DBaTaO₂N/Ta₃N₅异质结；以层状氧化物KCa₂Ta₃O₁₀为前驱体模板，高温氮化原位生成2D/1DCaTaO₂N/Ta₃N₅异质结。通过原位合成的氧氮化合物异质结相较于机械混合与核壳结构异质结而言，其接触界面更加丰富，构建的异质结可以显著促进电荷分离。

但相关技术中的氧氮化合物异质结，仍存在如下问题：

(1)高温固相法合成的钙钛矿氧化物前驱体颗粒尺寸在微米级别，生成的氧氮化合物异质结颗粒尺寸大部分也在微米级别，这不利于光生电子和空穴向催化剂表面扩散，影响电荷分离效率。

(2)由于前驱体颗粒尺寸较大，氮化过程受氨气扩散动力学限制，需要长时间氮化，这往往会产生大量的低价金属缺陷，而低价金属缺陷常被认为是电子空穴的复合中心，影响催化剂电荷分离效率。

发明内容