[发明专利]碱金属钽酸盐复合光解水制氢可见光光催化剂制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碱金属钽酸盐基复合光解水制氢可见光光催化剂的制备方法，具体为以氨气为氮源在高温下对碱金属钽酸盐进行氮掺杂的方法。

背景技术

在能源危机的时代，新清洁能源的开发至关重要，太阳能利用为清洁能源提供了新的思路。现在太阳能利用主要途径是热能、在光催化剂上发生光化学过程将太阳能转化成可以直接使用的电能或氢气。光催化产生氢气的过程是利用太阳能激发光催化材料产生电子和空穴后，分别与反应物发生氧化还原反应。光催化剂在材料自清洁，污水处理，染料敏化太阳能电池以及光解水制氢等领域都展现了广泛的应用前景。其中通过光催化过程将水分解为氢气和氧气，提供了一种有效的清洁制氢方法，是现今研究的热点。

目前钽酸盐、硫化物和氮化物等催化剂体系是在光催化制氢中研究较多的体系，具有一定的潜在应用价值。特别是碱金属钽酸盐表现出非常好的光解纯水的能力，而且不需要牺牲剂，这是很多其它催化剂不具备的。但由于碱金属钽酸盐的能带宽度都大于3eV，需要使用紫外光才能发挥光催化活性，而在太阳光谱中，紫外光仅占全部能量的4％，因此极大地限制了碱金属钽酸盐的应用。因此需要对碱金属钽酸盐进行改性处理，使之具有可见光吸收。通常，光催化材料掺杂是改变其能带结构的有效方法。而对碱金属钽酸盐的掺杂非常困难，如阳离子掺杂，无论在碱金属钽酸盐制备过程还是后处理，都很难直接加入，阴离子掺杂，如氮掺杂在高温过程氮很难进入到体相中。因此，如可实现碱金属钽酸盐掺杂使之有可见光吸收并保持较好的光催化性能是非常重要并具有现实意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种碱金属钽酸盐基复合光解水制氢可见光光催化剂制备方法，解决了碱金属钽酸盐氮掺杂的问题，通过对水热合成的碱金属钽酸盐进行氮化过程实现其典型的非金属掺杂-氮掺杂，得到了具有很好可见光吸收和好的可见光催化性能碱金属钽酸盐光催化剂。

本发明的技术方案是：

将含钽的前驱体溶入含有表面活性剂酸性溶液中，搅拌1h～5h，得到均匀的钽盐溶液。调节pH为6～9，加入碱金属氢氧化物，使碱金属氢氧化物溶液浓度为0.5molL^-1～15molL^-1，并搅拌0.5h～5h，得到了悬浊液。所得到的悬浊液转入反应釜中热处理，在100℃～160℃下加热5h～24h后，水洗干燥后，300～500℃热处理1～10h得到碱金属钽酸盐晶体。随后在700℃～850℃下，氨气处理得到碱金属钽酸盐，就可以得到氮掺杂碱金属钽酸盐，氮掺杂量为0.5～4wt％。

其中，加入含钽的前驱体质量与酸性溶液的比为(1g∶20mL)～(1g∶100mL)，酸性溶液为1～10molL^-1氯化氢溶液或去离子水(pH＝6)；酸性溶液中，表面活性剂与酸性溶液的比为(1g∶10mL)～(1g∶100mL)；碱金属钽酸盐与氨气流量比为(1g∶20mLmin^-1)～(1g∶100mLmin^-1)，处理时间1h～10h。

其中，含钽的前驱体为五氯化钽、五氧化钽和Ta(OC₄H₉)₅的一种；表面活性剂为嵌段共聚物(P123)、聚乙烯醇(PVA)和十六烷基三甲基溴化氨(CTAB)的一种；碱金属氢氧化物溶液为氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化锂溶液的一种。

其中，调节pH值是：在搅拌条件下，滴加氨水溶液至钽盐溶液中，调节pH为6～9。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明的制备方法是一种有效实现对碱金属钽酸盐氮掺杂的方法，实现对碱金属钽酸盐氮掺杂。氮掺杂的碱金属钽酸盐使没有可见光吸收的碱金属钽酸盐具有了很好的可见吸收和好的可见光催化活性，为碱金属钽酸盐在可见光下的应用提供了支持。对于氮掺杂的碱金属钽酸盐，氮进入钽酸盐晶格中，引起晶格结构和能带结构发生变化，使之能够吸收可见光，而且氮的掺入也使得碱金属钽酸盐在可见光下具有良好的可见光催化活性。

2、钽酸盐系列化合物多是优异的光解水制氢催化剂，特别是碱金属钽酸盐具有很好的光催化解纯水的能力，但没有可见光吸收，极大地限制了其应用。本发明通过高温氮化的方法处理碱金属钽酸盐，实现了对碱金属钽酸盐的氮掺杂，实验表明制备过程实现对碱金属钽酸盐的氮掺杂，得到氮掺杂碱金属钽酸盐具有很好的可见光吸收和良好的可见光催化性能。

附图说明

图1.氮掺杂钽酸钠(右)和纯钽酸钠(左)粉末的照片。

图2.不同时间的氮掺杂钽酸钠和氮化钽的XRD表征。