[发明专利]一种非晶小尺寸氧化钴负载氮氧化钽的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种非晶小尺寸氧化钴负载氮氧化钽的制备方法及应用。首先利用高温氮化反应合成氮氧化钽(TaON)，后以金属有机盐乙酰丙酮钴(Co(acac)₂)作为前驱体，采用光沉积的方式在氮氧化钽(TaON)表面均匀负载氧化钴(CoO_x)的非晶小尺寸团簇，该负载状态是提升氮氧化钽光催化产氧性能的关键，最优的产氧性能可达6120±342μmol g^‑1h^‑1，420nm波长处的表观量子产率(AQY)为21.2±1.05％。这种光沉积金属有机盐的负载方式适用于钽基氮化物，其制备过程简便，环境友好，制得的材料体系还可作为光催化全分解水Z体系的产氧端材料，在环境科学和新能源领域有着非常广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种具有高效光催化分解水产氧性能的非晶小尺寸氧化钴(CoO_x)负载氮氧化钽的制备方法及应用，非晶小尺寸氧化钴(CoO_x)的负载是材料性能有效提高的关键。其作为光催化产氧材料，具有较高的光催化产氧性能。其制备过程简便，环境友好，制得的材料体系还可作为光催化全分解水Z体系的产氧端材料，在环境科学和新能源领域有着非常重要的前景。

背景技术

目前，能源危机和环境问题是全球亟需解决的两大重要问题。用半导体光催化技术将太阳能直接转化成化学能被认为是最有前景的技术概念之一，该技术具有工艺简单、原料易得、清洁环保的优点，在环保和能源领域有着潜在的应用价值。光催化分解水反应由水氧化生成氧气和水还原生成氢气两个半反应共同组成，由于水氧化是一个四电子的传输过程，所以其对全分解水的总体效率起决定性作用。氮(氧)化钽是一类优异的光催化产氧材料，凭借其相对窄的带隙(约为2.1-2.5eV)，合适的导价带位置，良好的可见光吸收性能以及稳定性好、无毒等特有的优势，受到人们的广泛关注和研究。

光催化水氧化主要分为以下三个步骤：半导体光催化剂对太阳光的捕获与吸收，光激发半导体材料内部电子和空穴发生分离和传输，电子和空穴迁移到半导体表面分别参与牺牲剂的还原和水的氧化生成氧气。然而，氮(氧)化钽作为半导体材料仍然存在内部电荷分离、传输效率低，电荷复合率大以及水氧化动力学缓慢的问题。为解决这一问题，人们通过元素掺杂、助催化剂负载、构建异质结等手段已经取得了阶段性成果。其中，助催化剂负载是较为简单有效的方法，其能够在负载非常少量助催化剂的情况下实现光催化性能的大幅度提升。同时，助催化剂的晶体结构、尺寸和分布都会极大程度的影响助催化剂的性能。目前，光催化产氧助催化剂主要有IrO₂、RuO₂、CoO_x等，制备出能大幅度提升氮(氧)化钽光催化产氧性能的助催化剂十分必要。

本发明利用光沉积金属有机盐的简便方法，在TaON表面负载了均匀分散的非晶小尺寸氧化钴(CoO_x)，该结构能够有效提升TaON的光催化产氧性能。同时，可将其应用于器件的产氧端，有望大幅提升全分解水的效率。该制备方法简单方便，清洁环保，在光催化和光电催化领域有十分广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高效光催化分解水产氧性能的非晶小尺寸氧化钴(CoOx)负载氮氧化钽的制备方法及应用，制备方法简单，可重复性高。所制备的材料具有优异的光催化水分解产氧能力和显著的表观量子产率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有高效光催化分解水产氧性能的非晶小尺寸氧化钴(CoO_x)负载氮氧化钽的制备方法，包含以下步骤：

将氧化钽(Ta₂O₅)粉末充分研磨后放入方舟中，之后将方舟放入管式炉中，氨气气氛(25-45cc/min)下850-950℃煅烧12-15h后得到氮氧化钽(TaON)粉末。得到的氮氧化钽粉末加入到含有一定量Co(acac)₂的水乙醇混合溶液中，充分超声分散后，将混合溶液置于全波段的光源下光照一定时间，离心干燥后得到非晶小尺寸氧化钴(CoOx)负载的氮氧化钽。