CN104826643A - 一种Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂及其制备方法 - Google Patents
一种Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于包含金属的催化剂制备领域，具体涉及一种Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂及其制备方法。该方法采用静电纺丝法结合水热反应制备得到Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂，包括Ta3N5纺丝液制备步骤、Ta2O5纤维制备步骤、Ta3N5纳米纤维制备步骤、水热反应体系制备步骤、水热反应和后续处理步骤。本发明的制备方法使CdS纳米颗粒均匀包裹Ta3N5纳米纤维，二者复合均匀、充分，利于提高光催化活性，性质稳定，容易回收；制备方法简单，设备和其他成本相对廉价，实验条件可控，有利于规模化生产制备。
Description
技术领域
本发明属于包含金属的催化剂制备领域，具体涉及一种Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂及其制备方法。
背景技术
光催化技术是一种在环境、能源等领域有着重要应用前景的绿色技术。目前，推动光催化技术发展的核心是研究开发出高效、稳定、易回收的可见光光催化剂。但是，目前光催化技术发展主要面临以下难题，第一，研究得最多、公认高效的光催化剂是TiO2，但只能被紫外光驱动，对太阳能的利用率低；第二，光生电子和空穴对的快速复合，严重抑制了半导体光催化活性；第三，半导体光催化剂难回收再利用，易造成二次污染。因此，开发可见光响应、稳定高效、易回收且可循环利用的光催化材料是光催化技术走向应用的关键。
Ta3N5是一种窄能带隙的半导体(2.1eV)，可以利用波长达600nm的太阳光，主要应用于废水处理、空气净化及光催化产氢等领域，引起了科学工作者的广泛关注。目前，科研工作者已经开发出纳米尺寸的Ta3N5(纳米颗粒、花状超分子结构、空心球等)光催化剂，但是纳米尺寸的Ta3N5面临两大核心问题，其一，是Ta3N5禁带宽度为2.1eV，属于窄禁带半导体材料，光生电子和空穴复合几率较高，导致材料的量子产率低，严重制约了其光催化活性。其二，由于纳米尺寸催化剂不易回收，影响了其循环使用等，甚至造成二次污染。这些因素严重阻碍了催化剂的实际应用。因此，如何提高Ta3N5的光催化效率和可回收性成为当前环境光催化领域研究的重要课题之一。
目前，半导体复合是提高半导体材料光催化活性一种非常简单、有效的手段。主要是将两种导带和价带位置不同的半导体材料组成异质结，这样可以使光生载流子在不同能级的半导体间转移、延长载流子的寿命，减少了载流子的复合，提高光生电子和空穴的利用率，进而明显提高材料的光催化活性。
中国专利申请“一种静电纺丝制备BiTaO4纳米纤维光催化剂的方法”(申请号：201410229902.2，公布号：CN 104028261 A)，公开了的制备方法中，先分别以简单的Ta2O5和和Bi(NO3)3作为坦源和钝源，然后以柠檬酸、乙二醇和PVP作为络合剂得到纺丝液，最后进行高压静电纺丝得到初始PVP BiTaO4纤维，再在900摄氏度的马弗炉中煅烧得到最终的BiTaO4纳米纤维。该方法还存在以下缺陷：首先，BiTaO4也是一种单一组分的可见光光催化剂，可以利用波长最大为420nm的可见光，由于其带隙窄，光生电子和空穴复合严重，导致光催化活性不理想。为了充分利用太阳能，开发可以利用长波长可见光催化剂成为研究热点。Ta3N5可以吸收利用波长长达600nm的可见光，能够更大限度的利用太阳光，但是其单纯Ta3N5纤维面临光生电子和空穴复合严重问题，因此，构筑Ta3N5异质结纤维来促进其光生电子和空穴的分离，实现其催化活性的提高，成为了必然趋势。
CdS作为一种优良的可见光催化剂，得到了广泛关注。根据固体能带理论，CdS带隙为2.4eV，易被可见光激发，同时与Ta3N5的能级可以很好的匹配。Ta3N5价带电势低于CdS的价带电势，同时，Ta3N5导带的电势要比CdS的低，因此，在可见光(λ>400nm)的照射下，Ta3N5和CdS被激发，形成光生电子(e-)和空穴(h+)，其中，CdS导带中的光生电子(e-)流入Ta3N5导带中，Ta3N5价带中的光生空穴(h+)跃迁到CdS价带中，直到两者的费米能级接近为止。该载流子的流动过程提高光生电子和空穴的寿命，从而提高体系的光催化活性。
电纺半导体纳米纤维作为一种独特的一维纳米结构，具有超长连续的一维结构、低廉的技术成本以及可大规模制备等优点，重要的是，通过调控半导体纤维的成分、尺寸和结构等，可使其同时具备大的比表面积和易回收的特征。因此，在环境光催化领域具有重要的应用价值。
基于以上考虑，光催化领域的科研实践中，亟需一种采用静电纺丝法结合水热反应的制备方法，制备出开发低成本、催化活性高、性质稳定、易回收的可见光光催化剂。
发明内容
本发明提供一种Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂及其制备方法；该方法采用静电纺丝法结合水热反应制备得到Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂制备方法，包括下述步骤：
Ta3N5纺丝液制备步骤：将可溶性钽盐加入高分子溶液中，进行搅拌处理，得到所述Ta3N5纺丝液；所述Ta3N5纺丝液中，所述可溶性钽盐的质量百分比浓度为5～15wt％；
Ta2O5纤维制备步骤：将所述Ta3N5纺丝液进行静电纺丝处理，得到复合纤维；再将所述复合纤维进行煅烧处理，得到所述Ta2O5纤维；
Ta3N5纳米纤维制备步骤：将所述Ta2O5纤维进行氮化处理，得到Ta3N5纳米纤维；
水热反应体系制备步骤：将可溶性镉盐、硫源和所述Ta3N5纳米纤维加入到水中，进行搅拌处理，得到所述水热反应体系；
水热反应和后续处理步骤：将所述水热反应体系进行水热反应，得到水热反应产物；将所述水热反应产物进行水洗处理、离心处理、烘干处理，得到所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂。
在上述制备方法优选的实施方式中，所述Ta3N5纺丝液制备步骤中，所述高分子溶液中含有聚乙烯吡咯烷酮、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸，所述聚乙烯吡咯烷酮、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为(3～4)：1：1；所述Ta3N5纺丝液中，所述聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为5～10wt％；优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为1300000；优选地，所述可溶性钽盐为丁醇钽、乙醇钽、五氯化钽、异丙醇钽、硫酸钽中的一种或几种。
在上述制备方法优选的实施方式中，所述Ta2O5纤维制备步骤中，所述煅烧处理中，温度为500～800℃，时间为2～15h。
在上述制备方法优选的实施方式中，所述Ta2O5纤维制备步骤中，所述静电纺丝处理的纺丝条件为：工作电压：8～25kV，工作距离：10～25cm；纺丝溶液的推进速度分别为：0.1～1mL/h；注射器针头内径为2～10mm。
在上述制备方法优选的实施方式中，所述Ta3N5纳米纤维制备步骤中，所述氮化处理的温度为750～900℃，时间为4～15h；所述氮化处理在氨气氛围中进行。
在上述制备方法优选的实施方式中，所述水热反应体系制备步骤中，所述可溶性镉盐和硫源的摩尔比为1：(1～4)，所述Ta3N5纳米纤维和可溶性镉盐的摩尔比为1：(0.1～2)；优选地，所述可溶性镉盐为硫酸镉、氯化镉、乙酸镉或硝酸镉中的一种或几种；优选地，所述硫源为硫脲、硫代乙酰胺中的一种或两种。
在上述制备方法优选的实施方式中，所述水热反应体系制备步骤中，所述搅拌处理的时间为0.5～10h。
在上述制备方法优选的实施方式中，所述水热反应和后续处理步骤中，所述水热反应中，加入氨水调节所述水热反应体系pH 7～10；优选地，所述水热反应中，温度为50～120℃，时间为8～24h。
在上述制备方法优选的实施方式中，所述水热反应和后续处理中，所述烘干处理的温度为40～80℃，在真空条件下进行。
在上述制备方法优选的实施方式中，所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的形貌特征为：所述Ta3N5纳米纤维的表面均匀且紧密地生长有一层Ta3N5纳米颗粒，形成Ta3N5/CdS壳核纳米纤维结构。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂，CdS纳米颗粒均匀包裹Ta3N5纳米纤维，形成良好的异质结，有效抑制的光生电子和空穴的复合，提高了Ta3N5的光催化活性；该催化剂是一种优良的光催化材料，在环境和能源等领域具有重要应用价值。
2、本发明的制备方法中，先采用静电纺丝法得到Ta3N5纳米纤维，然后通过水热反应制备得到Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂；该制备方法使CdS纳米颗粒均匀包裹Ta3N5纳米纤维，二者复合均匀、充分，利于提高光催化活性。
3、本发明的制备方法简单，设备和其他成本相对廉价，实验条件可控，有利于规模化生产制备。
4、本发明的制备方法使CdS与Ta3N5纳米纤维接触充分、复合均匀、形成良好的异质结，促进了光生电子和空穴的有效分离，提高其可见光光催化活性，同时因其一维壳核纤维相互交织形成三维网络结构，赋予其易回收的特性；制备得到的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂具有较高的光催化活性，性质稳定，容易回收。
附图说明
图1是实施例2制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的扫描电镜(SEM)图片。
图2是实施例2制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的TEM图片。
图3是实施例2制备的Ta3N5纳米纤维和Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的X射线粉末衍射图谱。
图4是实施例2制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的紫外-可见光漫反射图谱。
图5是可见光照射下的实施例1、2、3制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂对Rh.B溶液的单次光催化降解曲线图。
图6是可见光照射下的实施例2制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂对Rh.B溶液的4次循环光催化降解曲线图。
具体实施方式
一种Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法，包括下述步骤：
步骤一、制备Ta3N5纺丝液：将可溶性钽盐加入高分子溶液中，进行搅拌处理2～12h，得到Ta3N5纺丝液。
该高分子溶液中高分子溶液由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸混合制成，其中，该无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为(3～4)：1：1(示例性地，也可以为3.2：1：1，3.5：1：1，3.8：1：1，4：1：1中的任意比例，优选为3：1：1)，该PVP的分子量为1300000；
该Ta3N5纺丝液中，该PVP的质量百分比浓度为5～10wt％(示例性地，可以为5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、10wt％等中任意值或任意两者之间的范围，优选为9wt％)，该可溶性钽盐的质量百分比浓度为5～15wt％(示例性地，可以为5wt％、8wt％、10wt％、12wt％、15wt％等中任意值或任意两者之间的范围，优选为11wt％)；
该可溶性钽盐为丁醇钽、乙醇钽、五氯化钽、异丙醇钽、硫酸钽中的一种或几种。
步骤二、制备Ta2O5纤维：将该Ta3N5纺丝液进行静电纺丝处理，条件为：工作电压(直流电)8～25kV(示例性地，可以为8kV、10kV、12kV、18kV、20kV、22kV、25kV等中任意值或任意两者之间的范围，优选为15kV)，，工作距离(即喷头尖端与接收器的距离)10～25cm(示例性地，可以为12cm、15cm、18cm、20cm、25cm等中任意值或任意两者之间的范围，优选为10cm)，纺丝溶液的推进速度(即推进器的推进速度)为：0.1～1mL/h(示例性地，可以为0.1mL/h、0.3mL/h、0.8mL/h、1mL/h等中任意值或任意两者之间的范围，优选为0.5mL/h)，注射器针头内径为2～10mm；制得复合纤维；
再将该复合纤维进行于500～800℃(示例性地，可以为500℃、650℃、700℃、750℃、800℃等中任意值或任意两者之间的范围，优选为600℃)煅烧处理2～15h(示例性地，可以为2h、5h、8h、10h、12h、15h等中任意值或任意两者之间的范围，优选为6h)，得到Ta2O5纤维。
步骤三、制备Ta3N5纳米纤维：将该Ta2O5纤维置于管式炉中，于750～900℃(示例性地，可以为750℃、780℃、850℃、900℃等中任意值或任意两者之间的范围，优选为800℃)，在氨气氛围进行氮化处理4～15h(示例性地，可以为5h、7h、10h、12h、15h等中任意值或任意两者之间的范围，优选为8h)，得到Ta3N5纳米纤维；
步骤四、制备溶剂水热反应体系：将可溶性镉盐、硫源和该Ta3N5纳米纤维依次加入到超纯水中，进行搅拌处理0.5～10h(示例性地，可以为0.5h、2h、4.5h、8h、10h等中任意值或任意两者之间的范围，优选为5h)，得到水热反应体系。
该可溶性镉盐和硫源的摩尔比为1：(1～4)(示例性地，可以为1：1、1：2.5、1：3、1：4等中任意值或任意两者之间的范围，优选为1：2)，该Ta3N5纳米纤维和可溶性镉盐的摩尔比为1：(0.1～2)(示例性地，可以为1：0.1、1：0.5、1：1.5、1：2等中任意值或任意两者之间的范围，优选为1：1)；
该水热反应体系中，该可溶性镉盐的摩尔浓度为1～10mmol/L(示例性地，可以为1mmol/L、3mmol/L、5mmol/L、8mmol/L、10mmol/L等中任意值或任意两者之间的范围，优选为4mmol/L)；该可溶性镉盐为硫酸镉、氯化镉、乙酸镉或硝酸镉中的一种或几种；
该硫源为硫脲、硫代乙酰胺中的一种或两种。
步骤五、水热反应和后续处理：将该水热反应体系进行水热反应：其温度升至50～120℃(示例性地，可以为50℃、75℃、90℃、100℃、120℃等中任意值或任意两者之间的范围，优选为80℃)，加入氨水调节其pH值为7～10(示例性地，可以为7、7.5、8.5、9、10等中任意值或任意两者之间的范围，优选为8)，反应8～24h(示例性地，可以为8h、10h、15h、18h、20h、22h、24h等中任意值或任意两者之间的范围，优选为12h)，得到水热反应产物；
再将该水热反应产物进行水洗处理：用超纯水和无水乙醇交替洗，重复4次；再进行4次离心处理，每次都弃上清保留沉淀；再将沉淀于40～80℃(示例性地，可以为40℃、50℃、65℃、70℃、80℃等中任意值或任意两者之间的范围，优选为60℃)、真空条件下进行烘干处理10～20h(示例性地，可以为10h、12h、16h、18h、20h等中任意值或任意两者之间的范围，优选为15h)，得到Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂。
根据上述制备方法得到的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂，其形貌特征为：Ta3N55纳米纤维的表面均匀且紧密地生长有一层CdS纳米颗粒，形成Ta3N5/CdS壳核纳米纤维结构。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
(1)制备Ta3N5纺丝液：将乙醇钽加入高分子溶液中，磁力搅拌8h，得到Ta3N5纺丝液。
该高分子溶液由分子量为1300000的PVP、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸混合制成；其中，该无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为3：1：1；
该Ta3N5纺丝液中，该PVP的质量百分比浓度为9wt％，该乙醇钽的质量百分比浓度为11wt％。
(2)制备Ta2O5纤维：将该Ta3N5纺丝液进行静电纺丝处理，条件为：直流电压15kV，工作距离10cm，推进器的推进速度为0.5mL/h，注射器针头内径为2～10mm；制得复合纤维；
再将该复合纤维进行于600℃煅烧处理6h，得到Ta2O5纤维。
(3)制备Ta3N5纳米纤维：将该Ta2O5纤维置于管式炉中，于800℃，在氨气氛围进行氮化处理8h，得到Ta3N5纳米纤维。
(4)制备水热反应体系：将硫酸镉(0.2mmol,0.051g)、硫脲(0.4mmol,0.031g)、Ta3N5纳米纤维(0.4mmol,0.246g)依次加入到100ml水中，磁力搅拌2h混合均匀，得到水热反应体系。
(5)水热反应和后续处理：将该水热反应体系的温度升至80℃，加入氨水调节其pH值为8，反应12h，得到水热反应产物；
再将该水热反应产物进行水洗处理：用超纯水和无水乙醇交替洗，重复4次；再进行4次离心处理，每次都弃上清保留沉淀；再将沉淀置于60℃真空干燥15h，得到Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂。
本实施例的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂在单次降解罗丹明B(Rh.B)试验中(参见试验例)，降解效率达到73.6％。
实施例2：
(1)制备Ta3N5纺丝液：将乙醇钽加入高分子溶液中，磁力搅拌8h，得到Ta3N5纺丝液。
该高分子溶液由分子量为1300000的PVP、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸混合制成；其中，该无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为3：1：1；
该Ta3N5纺丝液中，该PVP的质量百分比浓度为9wt％，该乙醇钽的质量百分比浓度为11wt％。
(2)制备Ta2O5纤维：将该Ta3N5纺丝液进行静电纺丝处理，条件为：直流电压15kV，工作距离10cm，推进器的推进速度为0.5mL/h，注射器针头内径为2～10mm；制得复合纤维；
再将该复合纤维进行于600℃煅烧处理6h，得到Ta2O5纤维。
(3)制备Ta3N5纳米纤维：将该Ta2O5纤维置于管式炉中，于800℃，在氨气氛围进行氮化处理8h，得到Ta3N5纳米纤维。
(4)制备水热反应体系：将硫酸镉(0.4mmol,0.102g)、硫脲(0.8mmol,0.062g)、Ta3N5纳米纤维(0.4mmol,0.246g)依次加入到100ml水中，磁力搅拌2h混合均匀，得到水热反应体系。
(5)水热反应和后续处理：将该水热反应体系的温度升至80℃，加入氨水调节其pH值为8，反应12h，得到水热反应产物；
再将该水热反应产物进行水洗处理：用超纯水和无水乙醇交替洗，重复4次；再进行4次离心处理，每次都弃上清保留沉淀；再于60℃真空干燥15h，得到Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂。
图1是本实施例中制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的扫描电镜(SEM)图，放大倍数为100000倍，从该图中可以看出Ta3N5/CdS是由CdS纳米颗粒均匀包裹于Ta3N5纳米纤维表面，形成壳核纳米纤维结构，整个制备过程中Ta3N5纤维保持了其长纤维结构，长度约80μm；其中，CdS纳米颗粒直径约为5nm，；Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂整体的长度约为80μm和直径是200nm。
图2是本实施例中制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的透射电镜(TEM)图，，从该图中可以看出Ta3N5/CdS是由CdS纳米颗粒均匀包裹于Ta3N5纳米纤维表面，形成壳核纳米纤维结构，其中，CdS纳米颗粒直径约为5nm；Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂直径约为200nm。
本实施例的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂在单次降解罗丹明B(Rh.B)试验中(参见试验例)，降解效率达到97.4％。
实施例3：
(1)制备Ta3N5纺丝液：将乙醇钽加入高分子溶液中，磁力搅拌8h，得到Ta3N5纺丝液。
该高分子溶液由分子量为1300000的PVP、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸混合制成；其中，该无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为3：1：1；
该Ta3N5纺丝液中，该PVP的质量百分比浓度为9wt％，该乙醇钽的质量百分比浓度为11wt％。
(2)制备Ta2O5纤维：将Ta3N5纺丝液进行静电纺丝处理，条件为：直流电压15kV，工作距离10cm，推进器的推进速度为0.5mL/h，注射器针头内径为2～10mm；制得复合纤维；
再将该复合纤维进行于600℃煅烧处理6h，得到Ta2O5纤维。
(3)制备Ta3N5纳米纤维：将该Ta2O5纤维置于管式炉中，于800℃，在氨气氛围进行氮化处理8h，得到Ta3N5纳米纤维。
(4)制备水热反应体系：将硫酸镉(0.6mmol,0.153g)、硫脲(1.2mmol,0.093g)、Ta3N5纳米纤维(0.4mmol,0.246g)依次加入到100ml水中，磁力搅拌2h混合均匀，得到水热反应体系。
(5)水热反应和后续处理：将该水热反应体系的温度升至80℃，加入氨水调节其pH值为8，反应12h，得到水热反应产物；
再将该水热反应产物进行水洗处理：用超纯水和无水乙醇交替洗，重复4次；再进行4次离心处理，每次都弃上清保留沉淀；再于60℃真空干燥15h，得到Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂。
本实施例的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂在单次降解罗丹明B(Rh.B)试验中(参见试验例)，降解效率达到91.7％。
实施例4：
(1)制备Ta3N5纺丝液：将乙醇钽加入高分子溶液中，磁力搅拌8h，得到Ta3N5纺丝液。
该高分子溶液由分子量为1300000的PVP、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸混合制成；其中，该无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为3：1：1；
该Ta3N5纺丝液中，该PVP的质量百分比浓度为9wt％，该乙醇钽的质量百分比浓度为11wt％。
(2)制备Ta2O5纤维：将该Ta3N5纺丝液进行静电纺丝处理，条件为：直流电压15kV，工作距离10cm，推进器的推进速度为0.5mL/h，注射器针头内径为2～10mm；制得复合纤维；
再将该复合纤维进行于600℃煅烧处理6h，得到Ta2O5纤维。
(3)制备Ta3N5纳米纤维：将该Ta2O5纤维置于管式炉中，于800℃，在氨气氛围进行氮化处理8h，得到Ta3N5纳米纤维。
(4)制备水热反应体系：将硫酸镉(0.8mmol,0.204g)、硫脲(1.6mmol,0.124g)、Ta3N5纳米纤维(0.4mmol,0.246g)依次加入到100ml水中，磁力搅拌2h混合均匀，得到水热反应体系。
(5)水热反应和后续处理：将该水热反应体系的温度升至80℃，加入氨水调节其pH值为8，反应12h，得到水热反应反应产物；
再将该水热反应产物进行水洗处理：用超纯水和无水乙醇交替洗，重复4次；再进行4次离心处理，每次都弃上清保留沉淀；再于60℃真空干燥15h，得到Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂。
本实施例的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂在单次降解罗丹明B(Rh.B)试验中(试验方法与试验例中相同)，降解效率达到89.1％。
实施例5：
(1)制备Ta3N5纺丝液：将乙醇钽加入高分子溶液中，磁力搅拌8h，得到Ta3N5纺丝液。
该高分子溶液由分子量为1300000的PVP、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸混合制成；其中，该无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为3：1：1；
该Ta3N5纺丝液中，该PVP的质量百分比浓度为9wt％，该乙醇钽的质量百分比浓度为11wt％。
(2)制备Ta2O5纤维：将该Ta3N5纺丝液进行静电纺丝处理，条件为：直流电压15kV，工作距离10cm，推进器的推进速度为0.5mL/h，注射器针头内径为2～10mm；制得复合纤维；
再将该复合纤维进行于600℃煅烧处理6h，得到Ta2O5纤维。
(3)制备Ta3N5纳米纤维：将该Ta2O5纤维置于管式炉中，于800℃，在氨气氛围进行氮化处理8h，得到Ta3N5纳米纤维。
(4)制备水热反应体系：将硫酸镉(0.2mmol,0.051g)、硫脲(0.4mmol,0.031g)、Ta3N5纳米纤维(0.4mmol,0.246g)依次加入到100ml水中，磁力搅拌2h混合均匀，得到水热反应体系。
(5)水热反应和后续处理：将该水热反应体系的温度升至80℃，加入氨水调节其pH值为8，反应12h，得到水热反应产物；
再将该水热反应产物进行水洗处理：用超纯水和无水乙醇交替洗，重复4次；再进行4次离心处理，每次都弃上清保留沉淀；再于60℃真空干燥15h，得到Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂。
本实施例的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂在单次降解罗丹明B(Rh.B)试验中(试验方法与试验例中相同)，降解效率达到86.9％。
试验例：
以下通过降解罗丹明B试验，检验实施例1-3的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的催化效果。
试验一、单次降解罗丹明B(Rh.B)试验步骤如下：
(1)准确量取20mg实施例1-3制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂，分别置于装有100mL 4.79mg L-1的罗丹明B(Rh.B)溶液的不同的烧杯中，在黑暗的条件下搅拌1h，使催化剂与罗丹明B(Rh.B)溶液达到吸附平衡，然后取出3～5mL反应液作为第一个样品(即平衡样)。
(2)再将玻璃烧杯放置于光催化反应器内，每隔10min时间取一次样，通过高速离心(8000r/min,5min)将催化剂分离。离心后取上清液，采用紫外可见吸收光谱仪(UV-Vis)测定反应液中罗丹明B(Rh.B)染料的浓度变化。
试验二、4次循环降解罗丹明B(Rh.B)试验步骤如下：
(1)准确量取20mg实施例1-3制备的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂分别加入到罗丹明B(Rh.B)(100mL,4.79mg L-1)溶液中，每次光催化反应60min后，将催化剂分离出，用超纯水水清洗、烘干，然后再加入到新的罗丹明B(Rh.B)溶液中进行反应，重复4次。
图5为可见光照射下，不同催化剂(a：空白试验；b：实施例1制备的样品；c：实施例2制备的样品；d：实施例3制备的样品)对Rh.B溶液的单次光催化降解曲线。在空白试验中，光照反应60min，Rh.B溶液基本未发生降解。当以实施例1样品为光催化剂时，反应60min后，仅可以降解73.6％的Rh.B。实施例3样品对Rh.B的光催化降解效率明显高于实施例1样品，反应60min后，仅可以降解92％的Rh.B。当以实施例2样品为光催化剂时，其表现出最强的光催化活性，光照反应60min，对Rh.B的降解效率高达97.4％，说明Ta3N5和CdS形成良好的异质结，从而有效抑制光生电子和空穴的复合。
图6为可见光照射下，实施例2制备的样品Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂进行4次可见光循环光催化降解Rh.B溶液的试验的降解曲线。每次反应都是在相同的试验条件下进行，每次光照反应60min。经过4次连续的光催化降解试验，其对Rh.B的光催化降解效率由第一次的97.4％到第四次循环变成83.2％，说明Ta3N5/CdS异质结纤维的光催化活性相对稳定，没有发生明显降低。
图3为实施例2制备的Ta3N5纳米纤维和Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的X射线粉末衍射图谱。可以看出在Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的X射线粉末衍射图谱中并没有明显的CdS特征峰，这可能是由于Ta3N5特征峰强度高将CdS特征峰掩盖。
图4为实施例2制备的样品Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的紫外-可见光漫反射图谱。可以看出Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂在可见光区域也表现出较强的光吸收。
Claims (10)
1.一种Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂制备方法，包括下述步骤：
Ta3N5纺丝液制备步骤：将可溶性钽盐加入高分子溶液中，进行搅拌处理，得到所述Ta3N5纺丝液；所述Ta3N5纺丝液中，所述可溶性钽盐的质量百分比浓度为5～15wt％；
Ta2O5纤维制备步骤：将所述Ta3N5纺丝液进行静电纺丝处理，得到复合纤维；再将所述复合纤维进行煅烧处理，得到所述Ta2O5纤维；
Ta3N5纳米纤维制备步骤：将所述Ta2O5纤维进行氮化处理，得到Ta3N5纳米纤维；
水热反应体系制备步骤：将可溶性镉盐、硫源和所述Ta3N5纳米纤维加入到水中，进行搅拌处理，得到所述水热反应体系；
水热反应和后续处理步骤：将所述水热反应体系进行水热反应，得到水热反应产物；将所述水热反应产物进行水洗处理、离心处理、烘干处理，得到所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂。
2.根据权利要求1所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述Ta3N5纺丝液制备步骤中，所述高分子溶液中含有聚乙烯吡咯烷酮、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸，所述聚乙烯吡咯烷酮、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为(3～4)：1：1；
所述Ta3N5纺丝液中，所述聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为5～10wt％；
优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为1300000；
优选地，所述可溶性钽盐为丁醇钽、乙醇钽、五氯化钽、异丙醇钽、硫酸钽中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述Ta2O5纤维制备步骤中，所述煅烧处理中，温度为500～800℃，时间为2～15h。
4.根据权利要求1或3所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述Ta2O5纤维制备步骤中，所述静电纺丝处理的纺丝条件为：工作电压：8～25kV，工作距离：10～25cm；纺丝溶液的推进速度为：0.1～1mL/h；注射器针头内径为2～10mm。
5.根据权利要求1所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述Ta3N5纳米纤维制备步骤中，所述氮化处理的温度为750～900℃，时间为4～15h；所述氮化处理在氨气氛围中进行。
6.根据权利要求1所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述水热反应体系制备步骤中，所述可溶性镉盐和硫源的摩尔比为1：(1～4)，所述Ta3N5纳米纤维和可溶性镉盐的摩尔比为1：(0.1～2)；
优选地，所述可溶性镉盐为硫酸镉、氯化镉、乙酸镉或硝酸镉中的一种或几种；
优选地，所述硫源为硫脲、硫代乙酰胺中的一种或两种。
7.根据权利要求1或6所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述水热反应体系制备步骤中，所述搅拌处理的时间为0.5～10h。
8.根据权利要求1所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述水热反应和后续处理步骤中，所述水热反应中，加入氨水调节所述水热反应体系pH值为7～10；
优选地，所述水热反应中，温度为50～120℃，时间为8～24h。
9.根据权利要求1或8所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述水热反应和后续处理步骤中，所述烘干处理的温度为40～80℃，在真空条件下进行。
10.根据权利要求1-9中任一项所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的制备方法得到的Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂，其特征在于：所述Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂的形貌特征为：所述Ta3N5纳米纤维的表面均匀且紧密地生长有一层Ta3N5纳米颗粒，形成Ta3N5/CdS壳核纳米纤维结构。
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