CN112973665B - 一种低温制备高性能单晶SrTaO2N光阳极的方法 - Google Patents

一种低温制备高性能单晶SrTaO2N光阳极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温制备高性能单晶SrTaO2N光阳极的实验方法。它利用NaTaO3与SrTaO2N晶体结构的相似性解决了现有SrTaO2N制备温度高，及太阳能转化效率低的问题。制备过程如下：利用水热法以Ta2O5为原料制备NaTaO3粉末样品；将NaTaO3和SrCO3粉末研磨混合；将混合粉末放入马弗炉中，氨气气氛下煅烧得到SrTaO2N粉末样品；利用电泳沉积的方法将粉末样品制备成光阳极薄膜样品，并用于光催化性能测试。本发明所提供的SrTaO2N制备方法具有反应温度低，操作简单的优点。本发明所得SrTaO2N样品具有缺陷少，载流子分离效率及太阳能利用率高等优点。

Description

一种低温制备高性能单晶SrTaO2N光阳极的方法
技术领域：
本发明涉及光催化技术及氧氮化物制备领域
背景技术：
光电化学分解水制氢将太阳能转换成可储存的氢能，是21世纪解决环境和能源问题的主要手段。要实现太阳能分解水制氢的大规模利用，光电化学水分解电池的太阳能转换氢能效率(STH)必须高于10％。要实现10％的STH效率，半导体的光吸收带边要大于530nm(即半导体的带隙应小于2.34eV)。SrTaO2N具有合适带隙(2.1eV)、导价带能级，并且能够在无牺牲剂体系中光催化分解纯水制氢。因此SrTaO2N是一种潜在的可见光光催化材料。材料的物化特性(形貌、尺寸、表面特性及缺陷等)对光催化剂的光催化性能具有重要影响。
常用的SrTaO2N制备方法为：以Sr2Ta2O7为前驱物高温氨气煅烧得到(＞950℃)，该制备方法具有缺陷多，形貌难调控等缺点，且该缺点不利用光生载流子的有效利用[1]。
上述缺点可通过改进制备方案的方法进行改善，例如熔盐法[2]、溶胶凝胶法[3]等。除此之外还可通过更换前驱物的方法进行改善。利用与光催化剂具有相似晶体结构的半导体为前驱物，通过拓扑转变降低制备温度及缺陷数量，提高半导体的光催化性能[4]。
本发明将通过利用与SrTaO2N具有相同晶体结构的NaTaO3为前驱物来制备缺陷少的单晶SrTaO2N。
参考文献
[1]S.K.Sun，Y.R.Zhang，Y.j.Masubuchi，T.Motohashi，S.Kikkawa，AdditiveSintering，Postannealing，and Dielectric Properties of SrTaO2N，J.Am.Ceram.Soc.97(2014)1023-1027.
[2]J.Fu，S.Skrabalak，Enhanced Photoactivity from Single-CrystallineSrTaO2N Nanoplates Synthesized by Topotactic Nitridation，Angew.Chem.Int.Ed.56(2017)14169-14173.
[3]M.Higashi，R.Abe，T.Takata，K.Domen，Photocatalytic Overall WaterSplitting under Visible Light Using ATaO2N(A＝Ca，Sr，Ba)and WO3in a IO3-/I-Shuttle Redox Mediated System，Chem.Mater.21(2009)1543-1549.
[4]X.Wang，T.Hisatomi，Z.Wang，J.Song，J.Qu，T.Takata，K.Domen，Core-Shell-Structured LaTaON2Transformed from LaKNaTaO5Plates for Enhanced PhotocatalyticH2Evolution，Angew.Chem.Int.Ed.58(2019)10666-10670.
发明内容
本发明要解决利用Sr2Ta2O7做前驱物制备温度高，缺陷多的缺点，而提供一种利用NaTaO3做前驱物低温制备具有高催化性能的单晶SrTaO2N的合成方法。
本发明一种低温制备高性能单晶SrTaO2N光阳极的方法按以下步骤进行：
(1)将0.5-1g Ta2O5粉末样品加入溶度为1.5-3M的氢氧化钠溶液中，并用磁力搅拌器将该溶液搅拌2h；
(2)将(1)步骤所得混合溶液转移到水热釜内胆中，溶液占内胆体积的80％，将水热釜放入140℃烘箱中加热12h；
(3)待烘箱恢复到室温，取出水热釜，用去离子水多次清洗样品，将清洗所得样品放入60℃烘箱烘干，该粉末样品即为NaTaO3；
(4)将NaTaO3与SrCO3按摩尔比1∶1混合研磨，再将混合粉末放入马弗炉中，氨气气氛下煅烧制备得到SrTaO2N粉末样品，温度800-950℃氨气流量为500-1000mL min-1，时间为2-15h；
(5)用恒压电泳沉积的方法制备SrTaO2N光阳极样品；
(6)将0.25g SrTaO2N粉末样品放入20ml丙酮中，再添加10g碘，超声10min。将两片FTO平行插入电解液中，间距为1cm，电压为20V，电沉积时间为1min；
(7)电泳沉积后的电极用TiCl4进行电连接剂处理；
(8)取50μL 10mM的TiCl4滴在SrTaO2N电极上60℃烘干，重复操作三次；
(9)在500mL min-1的氨气氛围中450℃温度煅烧半小时。经电连接剂后处理的SrTaO2N电极直接用于光电化学测试
本发明首次利用NaTaO3做前驱物制备在800℃得到了SrTaO2N单晶，其有益效果是制备温度较低，过程简单，重复性强。
利用本合成方法制备得到的SrTaO2N具有缺陷少，表面富含羟基、载流子分离效率高的优点。
利用本方面合成方法制备得到的SrTaO2N具有比用Sr2Ta2O7制备得到的SrTaO2N高的光催化性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为SrTaO2N粉末样品制备过程图，其中1为Ta2O5原料；2水热得到的NaTaO3粉末；3为氮化得到的SrTaO2N粉末；4为水热过程；5为氨气气氛的煅烧过程。
图2为利用本发明在不同氮化温度下所得SrTaO2N的XRD图。
图3为利用本发明在900℃，氨气流量500mL min-1，时间为10h的氨气氮化条件下所得SrTaO2N的SEM图。
图4为利用本发明在900℃，氨气流量500mL min-1，时间为10h的氨气氮化条件下所得SrTaO2N的选区电子衍射图。
图5为本发明实验方法所得SrTaO2N与利用Sr2Ta2O7为前驱物制备所得SrTaO2N光电流性能对比图，氮气氮化条件均为在900℃，氨气流量500mL min-1，时间为10h的实验条件下。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施例。下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，例如实验参数的修改，都应属于本发明保护的范围。
图1是本发明实提供的SrTaO2N粉末样品的制备方法示意流程图。本发明所提供的低温制备高性能单晶SrTaO2N光阳极的方法包括以下步骤：
具体实施例一：
(1)将0.5g Ta2O5粉末样品加入溶度为1.5M的氢氧化钠溶液中，并用磁力搅拌器将该溶液搅拌2h；
(2)将(1)步骤所得混合溶液转移到水热釜内胆中，溶液占内胆体积的80％，将水热釜放入140℃烘箱中加热12h；
(3)待烘箱恢复到室温，取出水热釜，经3次去离子水清洗回收粉末样品，该粉末样品即为NaTaO3；
(4)将NaTaO3与SrCO3按摩尔比1∶1混合研磨，再将混合粉末放入马弗炉中，氨气气氛下900℃煅烧，氨气流量为800mL min-1，时间为10h，制备得到的SrTaO2N粉末样品；
(5)用恒压电泳沉积的方法制备SrTaO2N光阳极样品；
(6)将0.25g SrTaO2N粉末样品放入20ml丙酮中，再添加10g碘，超声10min。将两片FTO平行插入电解液中，间距为1cm，电压为20V，电沉积时间为1min；
(7)电泳沉积后的电极由TiCl4进行电连接剂处理；
(8)取50μL 10mM的TiCl4滴在SrTaO2N电极上60℃烘干，重复操作三次；
(9)在500mL min-1的氨气氛围中450℃温度煅烧半小时，经电连接剂后处理的SrTaO2N电极直接用于光电化学测试。
具体实施例二：本实施例于实施例一的不同之处是将氢氧化钠溶液的浓度变为2-3M，其他与实施例一相同。
具体实施例三：本实施例于实施例一的不同之处是将氨气气氛下煅烧的温度变为800-950℃，其他与具体实施例一相同。
具体实施例四：本实施例于实施例一的不同之处是将氨气流量变为500-1000mLmin-1，其他与具体实施例一相同。
具体实施例五：本实施例于实施例一的不同之处是将氨气气氛下煅烧的时间变为5-20h，其他与具体实施例一相同。
具体实施例六：本实施例于实施例一的不同之处是将电泳沉积电压改为15-30V，其他与具体实施例一相同。
具体实施例七：本实施例于实施例一的不同之处是将电泳沉积时间改为1-3min，其他与具体实施例一相同。
对利用实施例一所得SrTaO2N的基本物化特性及光催化性能进行测试，结果如下：
图2为利用实施例一与三所得SrTaO2N的XRD图谱，结果显示利用NaTaO3做前驱物在800℃即可制备得到SrTaO2N。
图3为利用实施例一所得SrTaO2N的SEM图，结果显示利用NaTaO3做前驱物制备得到SrTaO2N是尺寸小的立方颗粒。
图4为利用实施例一所得SrTaO2N的选区电子衍射图，结果显示利用NaTaO3做前驱物制备得到的SrTaO2N为单晶样品。
图5为利用实施例一所得SrTaO2N的光催化性能评价结果图，结果显示利用NaTaO3做前驱物制备得到SrTaO2N的光催化性能远高于利用Sr2Ta2O7制备得到样品。
本发明首次利用NaTaO3做前驱物800℃制备得到了SrTaO2N单晶，其有益效果是制备温度较低，过程简单，重复性强。
利用本合成方法制备得到的SrTaO2N具有缺陷少，表面富含羟基、载流子分离效率高的优点。
利用本合成方法制备得到的SrTaO2N具有比利用Sr2Ta2O7制备得到的SrTaO2N高的光催化性能。
以上所揭露的仅为本发明实施例中的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (1)

1.一种低温制备高性能单晶SrTaO2N光阳极的方法，其特征在于SrTaO2N光阳极按以下步骤进行：
(1)将0.5-1g Ta2O5粉末样品放入溶度为1.5-3M的氢氧化钠溶液中，并用磁力搅拌器将该溶液搅拌2h；
(2)将(1)步骤所得混合溶液转移到水热釜内胆中，溶液占内胆体积的80％，将水热釜放入140℃烘箱中加热12h；
(3)待烘箱恢复到室温，取出水热釜，用去离子水多次清洗样品，将清洗所得样品放入60℃烘箱烘干，该粉末样品即为NaTaO3；
(4)将NaTaO3与SrCO3按摩尔比1∶1混合研磨，将混合粉末放入马弗炉中，氨气气氛下煅烧制备得到SrTaO2N粉末样品，煅烧温度800-950℃，氨气流量为500-1000mL·min-1，时间为2-15h；
(5)用恒压电泳沉积的方法制备SrTaO2N光阳极样品，将0.25g SrTaO2N粉末样品放入20ml丙酮中，再添加10g碘，超声10min，将两片FTO平行插入电解液中，间距为1cm，电压为20V，电沉积时间为1min；
(6)电泳沉积所得电极由TiCl4进行电连接剂处理，取50μL 10mM的TiCl4滴在SrTaO2N电极上，60℃烘干，重复操作三次；
(7)在500mL·min-1的氨气氛围中450℃煅烧半小时，经电连接剂后处理的SrTaO2N电极直接用于光电化学测试。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113264776B (zh) * 2021-06-30 2022-02-22 中国人民解放军国防科技大学 致密铕钽氧氮化物陶瓷及其制备方法
CN114657594B (zh) * 2022-03-22 2023-04-18 电子科技大学 一种析氧光阳极材料的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103265077A (zh) * 2013-05-13 2013-08-28 武汉理工大学 半导体Ta2O5-NaTaO3复合纳米纤维及其制备方法和应用
CN103611559A (zh) * 2013-12-05 2014-03-05 河南师范大学 一种Bi2WO6-SrTaO2N复合光催化剂及其制备方法
CN104477994A (zh) * 2014-12-11 2015-04-01 河北工业大学 一种钽酸钠的制备方法
CN106637287A (zh) * 2016-10-17 2017-05-10 南京大学 一种制备钽酸镧氧氮化物高效光电极的方法
CN106902804A (zh) * 2017-04-13 2017-06-30 上海理工大学 一种层状钙钛矿型锶钽基三元氧化物光催化剂的制备方法
JP2019037918A (ja) * 2017-08-23 2019-03-14 国際石油開発帝石株式会社 光触媒の製造方法、及び水素生成方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103265077A (zh) * 2013-05-13 2013-08-28 武汉理工大学 半导体Ta2O5-NaTaO3复合纳米纤维及其制备方法和应用
CN103611559A (zh) * 2013-12-05 2014-03-05 河南师范大学 一种Bi2WO6-SrTaO2N复合光催化剂及其制备方法
CN104477994A (zh) * 2014-12-11 2015-04-01 河北工业大学 一种钽酸钠的制备方法
CN106637287A (zh) * 2016-10-17 2017-05-10 南京大学 一种制备钽酸镧氧氮化物高效光电极的方法
CN106902804A (zh) * 2017-04-13 2017-06-30 上海理工大学 一种层状钙钛矿型锶钽基三元氧化物光催化剂的制备方法
JP2019037918A (ja) * 2017-08-23 2019-03-14 国際石油開発帝石株式会社 光触媒の製造方法、及び水素生成方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Core-shell-structured LaTaON2 Transformed from LaKNaTaO5 Plates for Enhanced Photocatalytic H2 evolution;Xin Wang et al.;《Angewandte Chemie》;第58卷(第31期);第10666-10670页 *

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