[发明专利]一种多金属氮氧化物纳米空心结构及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种多金属氮氧化物纳米空心结构及其制备方法和应用。

背景技术

近年来能源危机日益突出加之化石燃料造成的环境问题越发严重，寻找清洁的新能源是新世纪的重大课题。利用半导体光催化水制H₂是获取清洁能源的有效途径之一，但大多数半导体因禁带宽度过宽或者导带位置不适合而不适用光催化水解制H₂。金属氮化物、金属氮氧化物是一种新的催化剂体系。尤其含有多种金属组分的氮化物、氮氧化物，因其具有多种金属组分以及氧和氮的存在，使得多金属氮氧化物不仅能够降低禁带宽度同时也可以调控能带的位置，所以这种化合物是未来很有潜力的光催化体系。

例如Maeda, K.; Teramura, K.; Lu, D. et al, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 13753-13758；Maeda, K.; Teramura, K.; Lu, D. et al, Nature 2006, 440 (7082), 295-295；日本专利JP2005144210-A均报道制备的一种块状(Ga_1-xZn_x)(N_1-xO_x)固溶体双金属氮氧化物，其尺寸为微米级，该块状固溶体双金属氮氧化物可以降低禁带宽度，将吸收波长调至可见光波段，并且使得导带底位置不低于析氢电位，这样就使得该块状固溶体双金属氮氧化物可以吸收可见光用于催化水解制氢气。这种块状双金属氮氧化物已然成为光催化领域的热点材料。但到目前为止，多金属氮氧化物的形貌只能做到块状结构（单一颗粒尺寸多为微米级），颗粒尺寸通常为1～10μm。由于材料颗粒尺寸过大使得光生电子、空穴的扩散半径过长，使得光生电子、空穴迁移距离过长，从而造成光生电子、空穴在颗粒内部发生复合消耗，而不能迁移到表面用于催化水。同时现在制得的多金属氮氧化物比表面积极小，普遍低于5m²·g^-1（Tsuji, I.; Kato, H.; Kudo, A., Angewandte Chemie 2005, 117 (23), 3631-3634；Hitoki, G.; Takata, T.; Kondo, J. N. et al, Chemical Communications 2002, (16), 1698-1699; Kamata, K.; Maeda, K.; Lu, D.; Kako, Y.; Domen, K., Chemical Physics Letters 2009, 470 (1–3), 90-94;Maeda, K.; Teramura, K.; Lu, D. et al, Nature 2006, 440 (7082), 295-295）。这样就造成表面的催化点数量很少，严重影响了光催化的速率和效果，现有的多金属氮氧化物均为块状结构（颗粒尺寸为微米级），比表面积过小，导致其催化效率普遍较低（低于6%），已见报道中块状(Ga_1-xZn_x)(N_1-xO_x)在可见光下的光量子效率最高可达到5.9%（Maeda, K.; Teramura, K.; Domen, K., Journal of Catalysis 2008, 254 (2), 198-204）。可见，多金属氮氧化物的材料尺寸过大、比表面积过小是制约其获得更高的光催化效率、限制其应用的瓶颈。