Rh修饰的核壳异质结构氮（氧）化钽光催化析氢材料研究

摘要

针对全球日益严重的环境污染和能源危机问题，利用太阳能半导体光催化分解水制氢备受关注。研究发现，氮（氧）化钽对可见光吸收更好，N2p轨道能级比O2p的高，可见光响应能力提高，能够有效利用太阳能。然而，氮（氧）化钽载流子分离效率低、易光腐蚀、稳定性差。通过构建核壳结构氮（氧）化钽纳米复合材料，开发高效稳定的可见光响应光催化剂，为利用太阳能光催化分解水产氢提供新材料。
　　利用高温氮化技术成功制备了核壳结构Ta3N5@Ta2O5纳米光催化剂。采用XRD、XPS、TEM、DRS及电化学测试等分析手段，考察了氮化温度和氮化时间对样品的表面组成、晶粒尺寸、晶面结构、能带结构及载流子分离效率的影响规律。在NH3气流量50mL·min-1和氮化温度750℃的条件下，通过控制氮化时间实现对纳米Ta2O5的带隙结构在3.86～2.08eV间有效调控，相应地样品逐渐从Ta2O5经TaON@Ta2O5转化为Ta3N5@Ta205;当氮化时间为3h，氮化温度由750℃升高到900℃，Ta3N5@Ta2O5样品的带隙进一步窄化至2.04eV。经850℃氮化3h样品，壳层Ta3N5界面转化为高活性(110)晶面，光生载流子分离效率最大，q在可见光(λ＞420nm)照射下光解水析氢活性最高，达21.75μmol·g-1·h-1。
　　采用溶剂热法制备Rh3+原位掺杂Ta2O5纳米粒子，再经高温氮化处理，制备了Rh表面修饰核壳结构TaON@Ta2O5纳米复合光催化剂。采用XRD、XPS、TEM、DRS、FT-IR及电化学测试等分析手段对样品进行表征，采用可见光(λ＞420nm)照射下光催化分解水产氢率评价其光活性，探讨Rh修饰增强TaON@Ta2O5光催化产氢活性的机理。结果表明，Rh修饰对TaON@Ta2O5纳米光催化剂壳层TaON的晶粒尺寸及晶面调控有明显影响。光电流实验证实Rh表面修饰有效抑制光生电子-空穴复合，提高样品光化学稳定性。当Rh/Ta摩尔比为0.075时，样品光催化解水产氢活性最高，达39.41μmol·g-1·h-1，远高于未修饰Rh样品，归因于Rh2O3/TaON@Ta2O5异质结构构筑有效促进了光生载流子的高效分离与界面转移。

目录

摘要

第1章 绪论

1．2 光催化分解水制氢的原理

1．3 半导体光催化剂的研究现状

1．3．2 钽基氮(氧)化物研究现状

1．4 钽基氮(氧)化物的改性研究现状

1．4．1 控制材料的尺寸和形貌

1．4．2 离子掺杂改性

1．4．3 半导体材料的复合

1．4．4 表面修饰

1．5 钽基氮(氧)化物的制备研究现状

1．5．1 高温氨解法

1．5．2 电泳沉积法

1．5．3 溅射法

1．5．4 原位化学还原法

1．6 钽基氮(氧)化物的应用研究现状

1．6．1 光催化

1．6．2 电催化氧化还原

1．7 本文的立体依据与研究内容

1．7．1 立体依据

1．7．2 研究内容

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器和设备

2．3 实验方法

2．3．3 Rh修饰TaON@Ta2O5纳米光催化剂的制备

2．4 光催化剂的表征

2．4．1 XRD分析

2．4．2 TEM分析

2．4．3 XPS分析

2．4．4 BET分析

2．4．5 FT-IR分析

2．4．6 DRS分析

2．4．7 光电化学性能测试

2．4．8 光催化分解水产氢测试

第3章 Ta3N5@Ta2O5的可控制备及其可见光催化分解水产氢性能

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 XRD分析

3．2．2 XPS分析

3．2．3 TEM分析

3．2．4 BET分析

3．2．5 UV-vis吸收光谱分析

3．2．6 光电化学测试

3．2．7 Ta3N5@Ta2O5可见光催化分解水产氢性能与光活性提高机理

3．3 本章小结

第4章 Rh修饰TaON@Ta2O5的制备及其可见光分解水产氢性能研究

4．1 引言

4．2 结果讨论

4．2．1 XRD分析

4．2．2 XPS分析

4．2．3 TEM分析

4．2．4 FT-IR分析

4．2．5 UV-vis吸收光谱分析

4．2．6 光电化学测试

4．2．7 Rh修饰TaON@Ta2O5可见光催化分解水产氢性能

4．3 本章小结

第5章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢