[发明专利]一种直接氮化制备高性能Ta3N5/Bi光催化材料的方法

说明书

本发明采用低功函的金属Bi修饰Ta₃N₅，使得Ta₃N₅界面能带向下弯曲，在界面处Ta₃N₅一侧构筑了一个由表面指向体相的电场，驱动Ta₃N₅光生电子转移至金属Bi。此外，本发明公开了一种直接氮化钽酸铋原位获得Ta₃N₅/Bi的方法，Ta₃N₅和Bi之间的接触更加紧密。Ta₃N₅一侧的界面电场和优质的界面结极大地提高了Ta₃N₅光生载流子的分离效率，有效地抑制了CH₄产生的逆向反应，从而显著提高其光催化还原CO₂为CH₄的活性。

1、技术领域

本发明涉及一种新型的半导体/金属光催化复合材料、制备方法和应用领域，尤其是一种Ta₃N₅/Bi光催化复合材料的制备及其在光催化还原CO₂为CH₄中的应用。

2、技术背景

当前世界能源消耗的80％仍来自于以石油、煤、天然气等为主的化石能源。化石燃料的过度消耗不仅造成能源供应危机，而且导致大气中CO₂浓度持续增加，从而产生温室效应。以H₂O为还原剂，利用光催化技术将CO₂转化为燃料甲烷可望同时解决能源短缺及大气中CO₂浓度持续上升的问题。与传统技术相比，光催化还原CO₂为CH₄具有能耗低、操作简便、反应条件温和及二次污染较少等优点。

CO₂光催化转化为CH₄分两个半反应进行。首先，水被半导体光催剂价带空穴氧化产生氢离子和氧气(4H₂O+8h⁺→2O₂+8H⁺)，然后氢离子迁移至导带与光生电子和CO₂反应生成甲烷(CO₂+8e+8H⁺→CH₄+2H₂O)。因此，要实现光催化高效转化CO₂为CH₄的关键是提高光催化材料的载流子分离效率和抑制CH₄产生的逆向反应。

Ta₃N₅在光催化分解水及降解有机污染物方面显示出良好的光催化活性，受到了国内外研究者们的普遍关注。近年来，研究人员发现采用金属修饰Ta₃N₅可以进一步提高它的光催化活性。如，Ta₃N₅经金属Pt修饰后，Ta₃N₅的光催化活性得到了显著增强。然而，由于金属Pt的功函数(约5.7eV)大于Ta₃N₅的功函数(约4.5eV)，在Pt和Ta₃N₅接触之后，为了达到热力学平衡，在结区域Ta₃N₅表面能带将向上弯曲，从而在Ta₃N₅和Pt之间形成肖特基势垒。这个肖特基势垒将阻止Ta₃N₅的光电子迁移至Pt上，因此必须要提供足够高的能量才能促使Ta₃N₅的光生电子越过这个肖特基势垒到金属Pt上，从而达到提高Ta₃N₅载流子分离效率、增强其光催化活性的目的。