CN104846396A - 钽基一维纳米阵列电极制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钽基一维纳米阵列电极制备方法，以金属钽箔原料，将其放入气氛控制高温反应炉中进行表面高温控制氧化灼烧，得到表面分支定向生长的一维纳米阵列电极。得到的氧化物电极进一步转移到热处理炉中进行氮化热处理，通过控制氨气与水蒸气的比例以及流量和时间，将得到不同氮含量的钽的氮氧化物以及氮化物。制备的钽基一维纳米阵列电极分解水速率显著提高，通过复合负载相后其催化性能可进一步得到提高。本发明制备的可见光响应的钽基一维纳米阵列电极具有较高的光量子转化效率，用于太阳能转化利用，在光解水制氢、空气净化及水处理等方面具有很好的应用前景和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料的制备以及在新能源领域的应用。具体涉及钽基氧化物和氮化物一维纳米阵列电极制备方法以及该一维材料作为光电极在太阳能可见光分解水中的应用。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭，开发新能源成为世界各国研究的热点。光伏发电作为太阳能利用的一个重要方面，受到人们的广泛关注。光电极催化反应指通过照射光催化电极，在电极中间形成电流，电极两端形成光电池，阳极产生空穴，阴极产生电子，从而将有机污染物降解，或者将水分解为氢气和氧气，是一种十分有潜力的光电转化的方法。其中，TiO2由于其禁带宽度适中、性质稳定、无毒副作用、成本低廉等优点而成为研究最为广泛的单一氧化物催化剂。但是由于TiO2的禁带宽度为3.2eV，光吸收边在小于420nm的紫外光范围，极大的限制了其在富含可见光的太阳光能量下的应用。因此在实际应用中受到限制。而金属钽的氮化物由于N的作用，其禁带宽度刚好属于可见光区域，在可见光区域具有较好的吸收，可直接利用太阳光进行光电催化反应。
为了提高可见光光催化材料的活性，目前很多材料被制备成一维材料，这是由于一维结构在促进光生载流子的转移和分离过程具有很大优势，并且可以提供更多的活性比表面积，被认为是材料制备的一个主要方向。近年来，人们已经探索了一些制备一维钽基材料的方法。Feng等以钽片为钽源采用阳极氧化的方法合成出了管状的氮化钽(Nano Lett.2010,10,948-952)。Hou等以钽箔为钽源采用加压水热的方法制备出了柱状氮化钽(CN 10335211A)。
迄今为止，没有文献和专利报道过采用高温氧化灼烧的手段制备出钽基一维纳米阵列电极材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钽基一维纳米阵列电极制备方法以及该电极材料作为光电极在太阳能可见光分解水中的应用，并通过在其表面负载助催化剂来提高光催化性能，从而制备出一种高性能光催化剂材料。
本发明的技术关键在于以金属钽箔为出发原料，首先将钽箔控制在1cm×3cm大小，将其放入气氛控制高温反应器中，通入非氧化性气氛，防止钽箔氧化，直至升温至600℃～1200℃；在反应器温度到达指定温度后，通入10mL/min～1000mL/min流量的高纯氧气进行氧化灼烧反应，进气时间为10min～120min；灼烧氧化反应结束后，关闭氧气进气，继续通入非氧化性气氛保护，直至温度降至室温，得到钽基一维氧化物纳米阵列电极。将上述步骤得到的钽基一维氧化物纳米阵列电极进一步转移到热处理炉中进行氮化热处理，通过控制氨气与水蒸气流量1mL/min～1000mL/min，在700℃～900℃反应2～20h，将得到不同氮含量的钽的氮氧化物以及氮化物。将得到的电极材料担载IrO2，RuO2，RhO2，CoOx助催化剂制备成光电极，最终得到钽基一维纳米阵列电极材料。
本发明的另一目的是提供上述钽基一维纳米阵列电极材料的应用。
光催化分解水性能测试方法：在模拟太阳光300W氙灯照射下，用滤光片滤掉紫外光，带有水冷装置的反应器至于光源5cm处，将光电极作为工作电极阳极，对电极采用铂片作为阴极，溶液采用硫酸钠纯水溶液，采用电化学工作站对其进行光电流的测量。
本发明的有益效果是本发明制备的一维纳米阵列电极材料具有高的光电转换效率，用于太阳能转化利用和环境治理，如光解水、空气净化及水处理等方面具有很好的应用前景和经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1的X射线衍射图。
图2为本发明实施例2的X射线衍射图。
图3为本发明实施例1的扫描电镜图。
图4为本发明比较例1的扫描电镜图。
图5为本发明实施例1的光电流曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
将1cm×3cm钽箔放入气氛控制高温反应器中。通入氩气与氮气混合气，升温至1200℃，随后通入10mL/min流量的高纯氧气进行氧化灼烧反应，进气时间为60min，反应结束后关闭氧气进气，继续通入氩气与氮气混合气氛保护，直至温度降至室温，得到钽基一维氧化物纳米阵列电极。将上述步骤得到的钽基一维氧化物纳米阵列电极进一步转移到热处理炉中进行氮化热处理，通过控制氨气与水蒸气流量10mL/min，在700℃反应10h，将得到氮氧化钽光电极。将得到的电极材料担载CoOx助催化剂，最终得到钽基一维纳米阵列电极材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对产品进行分析。
实施例2
将1cm×3cm钽箔放入气氛控制高温反应器中。通入氮气，升温至600℃，随后通入100mL/min流量的高纯氧气进行氧化灼烧反应，进气时间为100min，反应结束后关闭氧气进气，继续通入氮气气氛保护，直至温度降至室温，得到钽基一维氧化物纳米阵列电极。将上述步骤得到的钽基一维氧化物纳米阵列电极进一步转移到热处理炉中进行氮化热处理，通过控制氨气与水蒸气流量1000mL/min，在900℃反应20h，将得到氮化钽光电极。将得到的电极材料担载IrO2助催化剂，最终得到钽基一维纳米阵列电极材料。采用X射线衍射(XRD)、对产品进行分析。
比较例1
将1cm×3cm钽箔放入气氛控制高温反应器中。通入氮气，升温至500℃，随后通入50mL/min流量的高纯氧气进行氧化灼烧反应，进气时间为5min，反应结束后关闭氧气进气，继续通入氮气气氛保护，直至温度降至室温，得到钽基一维氧化物纳米阵列电极。将上述步骤得到的钽基一维氧化物纳米阵列电极进一步转移到热处理炉中进行氮化热处理，通过控制氨气与水蒸气流量500mL/min，在800℃反应15h，将得到氮化钽光电极。将得到的电极材料担载RuO2助催化剂，最终得到电极材料。采用扫描电子显微镜(SEM)对产品进行分析。
通过实施例1与实施例2分别合成了氮氧化钽和氮化钽两种一维电极材料，图1和图2分别是其X射线衍射图。通过实施例1的扫描电镜图片(图3)可以看出，实施例1合成出了一维的氮氧化钽电极。电极通过负载CoOx助催化剂后测试其光电流如图5所示，在未有光照的时候两种电极都未有光电流产生，在光照时，电极都有非常明显的光电流产生，并且可以看到，负载CoOx助催化剂后的电极有更高的光电流产生。图4是比较例的扫描电镜图片，可以看出，未达到合成条件的电极制备将不能合成出一维电极材料。
Claims (10)
1.钽基一维纳米阵列电极制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钽箔放入气氛控制高温反应器中，通入非氧化性气氛，防止钽箔氧化，直至升温至指定温度；
(2)在反应器温度到达指定温度后，通入高纯氧气进行氧化灼烧反应，控制氧气进气量及进气时间；
(3)氧化灼烧反应结束后，关闭氧气进气，继续通入非氧化性气氛保护，直至温度降至室温，得到钽基一维氧化物纳米阵列电极；
(4)将步骤(3)得到的钽基一维氧化物纳米阵列电极采用氨气和水蒸气的混合气流高温氮化，得到钽基一维氮化物或氮氧化物纳米阵列电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)高温反应器中采用的非氧化性气氛为氩气、氮气、氢气或其中两种及其以上的混合气氛。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中高温反应器的温度为600℃～1200℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中氧气的进气量为10mL/min～1000mL/min，进气时间为10min～120min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中氮化处理的气流流速为1mL/min～1000mL/min，在700℃～900℃反应2～20h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将步骤(4)得到的钽基一维纳米阵列电极担载IrO2、RuO2、RhO2或CoOx中的一种或多种后制备成光电极。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的制备方法所制备的钽基一维纳米阵列电极的用途，用于光解水。
8.根据权利要求7的用途，用于可见光光解水。
9.根据权利要求1-6任一权利要求所述的制备方法所制备的钽基一维纳米阵列电极的用途，用于空气净化。
10.根据权利要求1-6任一权利要求所述的制备方法所制备的钽基一维纳米阵列电极的用途，用于水处理。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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