CN114768851A - 一种钽系氮氧化物核壳结构异质结及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结及其制备方法与应用，该制备方法以Ta2O5为钽源，NaOH为钠源，水为溶剂，采用溶剂热方法合成了NaTaO3立方体结构；然后将合成的NaTaO3固体粉末置于通有氨气的高温反应炉中，采用固相法在其表面原位制备一层Ta3N5薄层，最终制备一种钽系氮氧化物NaTaO3/Ta3N5异质结结构。本发明制备的异质结以Ta原子共享形成的O‑Ta‑N共价键为界面连接，具有明显的核壳结构特性，为有核NaTaO3立方体和壳Ta3N5纳米片组成，由于异质结内建电场与共价键桥连的电荷转移通道的协同作用，所制备的钽系氮氧化物核壳结构展现出高效的光催化完全分解水性能。
Description
技术领域
本发明属于光催化纳米材料技术领域，具体涉及一种钽系氮氧化物核壳结构异质结及其制备方法以及其光催化完全分解水应用。
背景技术
太阳能光催化分解水被认为是最具发展前景的可再生能源利用技术。自1972年两位日本科学家发现这项技术以来，光催化分解水技术得到了飞速的发展。然而，现阶段的光催化分解水技术主要集中在牺牲剂体系的半反应过程，实现完全分解水仍然是一个巨大挑战。目前为止，只有少数催化剂如SrTiO3，GaN/ZnO等能够实现完全分解水。究其原因，主要是与电催化、热催化等催化方式相比，光催化分解水过程是一个完全自驱动过程，载流子分离的动力学过程十分缓慢。
研究表明，通过构建异质结在界面处诱导内建电场能够实现载流子的快速分离，进而实现光催化分解水整体效率的提高。遗憾的是，受制于合成技术的局限，传统方法构筑异质结的界面尺度主要集中与微纳尺度而不是与电荷传输尺度相匹配的原子尺度，这就导致界面处很多缺陷的形成，这些缺陷往往会成为载流子的复合中心，进一步阻止了载流子分离的效率提升。
近年来，Ta3N5因为其优越的带隙(2.0-2.1eV)及与水分解热力学高度匹配的导、价带位置而备受关注。研究证明，由于窄带隙带来的大范围可见光吸收(截止620nm)的巨大优势，Ta3N5的理论能量转化效率(STH)可达10％，有巨大的规模化应用潜力。值得注意的是，因为Ta-N成键热力学条件苛刻，且含钽盐前驱体种类十分有限，所以Ta3N5传统制备方法多为由Ta2O5前驱体直接高温反应获得，此过程中会产生很多深能级缺陷致使载流子在体相复合严重，严重抑制该类催化剂了光催化性能的提升。所以，当前对Ta3N5光催化性能研究多集中在含有牺牲剂的半反应体系，鲜有Ta3N5实现完全分解水的报道。目前为止，日本科学家Domen在2018年首次报道了基于Ta3N5催化剂实现完全分解水的研究，在这项研究中，Ta3N5单晶纳米棒由KTaO3棱上长出，通过缓慢的氮化作用实现元素的蒸发与Ta-N键的形成。然而，这项工作虽然能够实现完全分解水，但是效率很低，同时，由于KTaO3与Ta3N5晶格的不匹配性，制备过程中，KTaO3仅作为前驱体的作用参与其中，未能与生成的Ta3N5形成紧密的连接体，最终造成大量的KTaO3损失。并且，此方法制备的Ta3N5产量很低，难以满足规模化应用需求。总之，现阶段Ta3N5基的光催化纳米材料的制备方法有限，限制了其进一步应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结及其制备方法，还提供了其在光催化完全分解水中的应用，本发明通过水热-原位氮化的技术，可以先合成NaTaO3纳米立方体，后在此表面原位生长一层原子尺度Ta3N5薄层，整体形成一个核壳结构异质结。同时，由于NaTaO3与Ta3N5两者的晶格相似性与原子共享性，在界面处形成共价O-Ta-N连接，作为一种电荷传输的快速通道，与异质结的内建电场的电场力形成协同作用，促进界面处电荷的快速传输，进而获得优异的光催化性能。
本发明的技术方案为：
本发明提供一种钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，包括如下步骤：
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，采用溶剂热法制备NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇离心清洗，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中进行真空干燥，然后研磨，置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中进行高温氮化处理，得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
优选地，所述溶剂热法的具体步骤为：将Ta2O5和NaOH及溶剂水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声后剧烈搅拌，最后转移到反应釜，置于高温烘箱中160-200℃保温反应12-36h，反应结束后自然冷却至室温。
优选地，Ta2O5与NaOH的摩尔比为0.5-2:15-60，溶剂水的体积与反应釜的内衬总容积之比为3:4；所述反应釜采用聚四氟乙烯密封内衬，外套为不锈钢，内衬的总容积选择25mL、50mL、100mL。
优选地，高温氮化处理的具体条件为：以升温速率5℃/min升温至800-1000℃，并保温2-10h，反应后自然冷却至室温；高温氮化处理过程中，高温管式炉中氨气流速为100-200sccm。
本发明还提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结，采用上述制备方法制成，钽系氮氧化物核壳结构异质结以NaTaO3为内核，以Ta3N5为外壳。
优选地，钽系氮氧化物核壳结构异质结的颗粒粒径为200-1000nm。
本发明还提供了上述钽系氮氧化物核壳结构异质结在在光催化完全分解水中的应用。
本发明还提供了一种光催化完全分解水制氢的方法，以上述钽系氮氧化物核壳结构异质结作为光催化剂，包括如下步骤：
1)负载助催化剂
在光催化反应器中加入甲醇、水和光催化剂，反应前排出瓶内的空气，吹扫完成后先加入Rh源，并利用300W氙灯模拟太阳光照射1h，然后加入Cr2O3源，继续光照1h，反应结束后离心得到固体沉淀，随后进行真空干燥；
2)光催化反应
在光催化反应器加入水以及负载助催化剂的光催化剂粉末，反应前用真空泵抽气排出瓶内的空气，制造负压状态，随后用300W氙灯模拟太阳光连续照射5h。
优选地，所述Rh源为氯铑酸钠溶液，氯铑酸钠溶液的浓度为0.1-20mmol/L；所述Cr2O3源为重铬酸钾溶液，重铬酸钾溶液的浓度为0.1-50mmol/L。
优选地，负载助催化剂时，Rh与Cr2O3的质量比为1:3，甲醇与水的体积比为0.2:1，Rh的质量与甲醇的体积之比为0.1-10mg/8-20mL；光催化反应时，水的体积与光催化反应器容积之比为0.5-0.8:1，负载助催化剂的光催化剂的质量与水的固液比为10-200mg/50-250mL。
本发明的有益效果是：
(1)传统的Ta3N5的合成方式多为从Ta2O5直接氮化获得，此方法所合成的Ta3N5颗粒较大且内部缺陷多，载流子传输动力学缓慢，致使无法完成全解水；本发明提供了一种全新的两步法合成方式，选择与Ta3N5晶格匹配的NaTaO3立方体结构作为钽源，通过精细控制合成条件(氨气流速、反应时间等参数)，在NaTaO3表面原位生长一层Ta3N5，结构整体为一种核壳结构，以NaTaO3为内核，以Ta3N5为外壳；
(2)传统的异质结构筑方式多局限于微纳尺度，很难达到原子尺度，本发明提供了一种利用晶体结构相似性与原子共享性在界面处从原子尺度构筑异质结的新方式，NaTaO3与其表面原位生长的Ta3N5界面处以O-Ta-N共价键连接，减少了界面缺陷，提供了一个电荷传输的快速通道，并且由于界面内建电场的存在，共同促进了界面电荷传输；
(3)通过K-M方程和Mott–Schottky测试，分别获得NaTaO3和Ta3N5的带隙及导、价带位置，两者形成Ⅰ型能带匹配核壳异质结构，所有NaTaO3核内分别富集于导、价带的电子与空穴在化学键桥与内建电场的协同驱动力作用下迁移到Ta3N5表面，分别参与氧化还原反应生成氢气与氧气。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结的形貌结构与元素分布图；
图2是本发明所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结的物相结构与化学态特征图；
图3是本发明所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结的光催化完全分解水性能测试图；
图4是本发明所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结能带匹配与电荷传输机理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1
本实施例提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，包括如下步骤：
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将2mmol Ta2O5和60mmol NaOH及75mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到100mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中180℃保温反应12h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
实施例2
本实施例提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，包括如下步骤：
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将2mmol Ta2O5和60mmol NaOH及75mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到100mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中180℃保温反应12h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为150sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
实施例3
本实施例提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，包括如下步骤：
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将0.5mmol Ta2O5和15mmolNaOH及18.75mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到25mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中180℃保温反应12h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
实施例4
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将1mmol Ta2O5和30mmol NaOH及37.5mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到50mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中180℃保温反应12h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
实施例5
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将2mmol Ta2O5和60mmol NaOH及75mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到100mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中180℃保温反应12h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为200sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
实施例6
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将2mmol Ta2O5和60mmol NaOH及75mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到100mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中160℃保温反应24h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应5h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
实施例7
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将2mmol Ta2O5和60mmol NaOH及75mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到100mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中160℃保温反应24h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为200sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
实施例8
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将2mmol Ta2O5和60mmol NaOH及75mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到100mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中180℃保温反应12h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应5h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
实施例9
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将2mmol Ta2O5和60mmol NaOH及75mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到100mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中180℃保温反应24h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，900℃反应10h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
实施例10
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，将2mmol Ta2O5和60mmol NaOH及75mL水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声30min后剧烈搅拌30min，最后转移到100mL采用聚四氟乙烯密封内衬、不锈钢外套的反应釜中，置于高温烘箱中200℃保温反应12h，反应结束后自然冷却至室温，得到NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇各离心清洗三次，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，800℃反应10h，氨气流量为150sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
本发明实施例1所制备的钽系氮氧化物的形貌结构如图1所示：图a和b分别是所制备的钽系氮氧化物的SEM和TEM形貌图，可以看到此钽系氮氧化物为缺角的立方体结构，且棱角处出现明显分层结构，整体粒径为300-500nm，c-d是此钽系氮氧化物的高倍STEM和HRTEM图像，可以看到其为明显的核壳结构分布，内部为NaTaO3核，外壳为Ta3N5。图e-h为该钽氧化物的元素分布Mapping图，可以看到Ta与N两种元素范围明显大于Na和O两种元素，这与之前分析的核壳结构的结果相一致。
本发明实施例1所制备的钽系氮氧化物的物相结构与化学态特征如图2所示：图a与b是XRD和Raman物相分析，可以明显看到钽系氮氧化物显示NaTaO3与Ta3N5两种物相特征峰，图c-d是Ta与N两种元素的XPS特性分析，可以看到本发明所制备钽系氮氧化物相比纯相NaTaO3与Ta3N5，Ta4f与N1s元素特征峰所对应的结合能有明显的位置偏移，这说明有O-Ta-N化学键的生成。
本发明实施例1所制备的钽系氮氧化物的光催化完全分解水性能测试如图3所示，对应的光催化完全分解水制氢的方法，包括如下步骤，其中实施例1所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结作为光催化剂：
1)负载助催化剂
在光催化反应器中加入16mL甲醇、64mL水和50mg光催化剂，反应前用氩气Ar吹扫20min排出瓶内的空气，吹扫完成后先加入Rh源(氯铑酸钠溶液，Na3RhCl6，浓度为4.86mmol/L，通过调节用量来调控Rh与光催化剂质量比为0.50％、0.5％、2.0％、5.0％10％)，并利用300W氙灯模拟太阳光照射1h，然后加入Cr2O3源(重铬酸钾溶液，K2CrO7，浓度为6.58mmol/L，通过调控用量来调控Cr2O3质量，并保持Cr2O3与Rh质量比为3:1，)继续光照1h，反应结束后离心得到固体沉淀，随后80℃真空干燥10h；
2)光催化反应
在光催化反应器加入80mL水以及负载助催化剂的光催化剂粉末10mg，反应前用真空泵抽气15min排出瓶内的空气，制造负压状态，随后用300W氙灯模拟太阳光连续照射5h。
在图3中，图a表示光催化分解水性能随不同助催化剂负载比例的变化。可以发现，在负载不同比例Rh-Cr2O3核壳结构助催化剂后，光催化分解水性能经历一个先上升后下降的趋势。当Rh助催化剂与主催化剂质量比为2％时，光催化活性最高每小时产氢量可达300.5μmol h-1g-1，产氧量可达150μmol h-1g-1。图b表示2wt％Rh-6wt％Cr2O3助催化剂负载量的钽系氮氧化物的光催化量子效率测试，结果表明，本发明制备的钽系氮氧化物在300nm具有9.36％的量子效率，在560nm处仍可达6.53％的量子效率，说明本发明制备的钽系氮氧化物具有优异的可见光催化全解水性能。
本发明所制备的钽系氮氧化物能带匹配与电荷传输机理如图4所示。以实施例1所制备的钽系氮氧化物为例，可以看到，测试结果表明，NaTaO3和Ta3N5带隙分别为4.0eV和1.95eV，两者形成一种Ⅰ型能带匹配结构。NaTaO3内部由于光激发诱导产生的电子和空穴分别迁移到Ta3N5薄层表面，参与完成水氧化还原反应，最终生成氢气和氧气。
综上所述，本发明提供一种钽系氮氧化物(NTO/TaN)核壳结构异质结的制备方法，所制得的钽系氮氧化物为有核NaTaO3立方体(NTO)和壳Ta3N5纳米片(TaN)组成，粒径大小300-500nm。本发明首先以Ta2O5前驱体为钽源，NaOH为钠源，H2O为溶剂，采用溶剂热方法合成了NTO立方体结构；其次，将合成的NTO固体粉末置于通有氨气的高温反应炉中，采用固相法在其表面原位制备一层纳米尺度TaN薄层。本发明制备的NTO/TaN以Ta原子共享形成的O-Ta-N共价键为界面连接，具有明显的核壳结构特性，能够促进电荷在界面的高效分离与传输，进而能够高效的光催化分解水，且显示出较好的应用前景。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、以Ta2O5、NaOH分别作为钽源和钠源，水为溶剂，采用溶剂热法制备NaTaO3前驱体混合液；
S2、将NaTaO3前驱体混合液转移到离心管中，离心保留下层固体产物，然后分别用去离子水和乙醇离心清洗，得到白色固体产物；
S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中进行真空干燥，然后研磨，置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中进行高温氮化处理，得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。
2.根据权利要求1所述的钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，其特征在于，所述溶剂热法的具体步骤为：将Ta2O5和NaOH及溶剂水混合，置于反应玻璃瓶中，先超声后剧烈搅拌，最后转移到反应釜，置于高温烘箱中160-200℃保温反应12-36h，反应结束后自然冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，其特征在于，Ta2O5与NaOH的摩尔比为0.5-2:15-60，溶剂水的体积与反应釜的内衬总容积之比为3:4；所述反应釜采用聚四氟乙烯密封内衬，外套为不锈钢，内衬的总容积选择25mL、50mL、100mL。
4.根据权利要求1所述的钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，其特征在于，高温氮化处理的具体条件为：以升温速率5℃/min升温至800-1000℃，并保温2-10h，反应后自然冷却至室温；高温氮化处理过程中，高温管式炉中氨气流速为100-200sccm。
5.一种钽系氮氧化物核壳结构异质结，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述制备方法制成，钽系氮氧化物核壳结构异质结以NaTaO3为内核，以Ta3N5为外壳。
6.根据权利要求5所述的钽系氮氧化物核壳结构异质结，其特征在于，钽系氮氧化物核壳结构异质结的颗粒粒径为200-1000nm。
7.权利要求5所述的钽系氮氧化物核壳结构异质结在在光催化完全分解水中的应用。
8.一种光催化完全分解水制氢的方法，其特征在于，以权利要求6所述的钽系氮氧化物核壳结构异质结作为光催化剂，包括如下步骤：
1)负载助催化剂
在光催化反应器中加入甲醇、水和光催化剂，反应前排出瓶内的空气，吹扫完成后先加入Rh源，并利用300W氙灯模拟太阳光照射1h，然后加入Cr2O3源，继续光照1h，反应结束后离心得到固体沉淀，随后进行真空干燥；
2)光催化反应
在光催化反应器加入水以及负载助催化剂的光催化剂粉末，反应前用真空泵抽气排出瓶内的空气，制造负压状态，随后用300W氙灯模拟太阳光连续照射5h。
9.根据权利要求8所述的光催化完全分解水制氢的方法，其特征在于，所述Rh源为氯铑酸钠溶液，氯铑酸钠溶液的浓度为0.1-20mmol/L；所述Cr2O3源为重铬酸钾溶液，重铬酸钾溶液的浓度为0.1-50mmol/L。
10.根据权利要求9所述的光催化完全分解水制氢的方法，其特征在于，负载助催化剂时，Rh与Cr2O3的质量比为1:3，甲醇与水的体积比为0.2:1，Rh的质量与甲醇的体积之比为0.1-10mg/8-20mL；光催化反应时，水的体积与光催化反应器容积之比为0.5-0.8:1，负载助催化剂的光催化剂的质量与水的固液比为10-200mg/50-250mL。
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| CN114768851B (zh) | 2023-09-22 |
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