一种钽系氮氧化物核壳结构异质结及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结及其制备方法与应用，该制备方法以Ta2O5为钽源，NaOH为钠源，水为溶剂，采用溶剂热方法合成了NaTaO3立方体结构；然后将合成的NaTaO3固体粉末置于通有氨气的高温反应炉中，采用固相法在其表面原位制备一层Ta3N5薄层，最终制备一种钽系氮氧化物NaTaO3/Ta3N5异质结结构。本发明制备的异质结以Ta原子共享形成的O‑Ta‑N共价键为界面连接，具有明显的核壳结构特性，为有核NaTaO3立方体和壳Ta3N5纳米片组成，由于异质结内建电场与共价键桥连的电荷转移通道的协同作用，所制备的钽系氮氧化物核壳结构展现出高效的光催化完全分解水性能。

说明书

技术领域

本发明属于光催化纳米材料技术领域，具体涉及一种钽系氮氧化物核壳结构异质结及其制备方法以及其光催化完全分解水应用。

背景技术

太阳能光催化分解水被认为是最具发展前景的可再生能源利用技术。自1972年两位日本科学家发现这项技术以来，光催化分解水技术得到了飞速的发展。然而，现阶段的光催化分解水技术主要集中在牺牲剂体系的半反应过程，实现完全分解水仍然是一个巨大挑战。目前为止，只有少数催化剂如SrTiO

研究表明，通过构建异质结在界面处诱导内建电场能够实现载流子的快速分离，进而实现光催化分解水整体效率的提高。遗憾的是，受制于合成技术的局限，传统方法构筑异质结的界面尺度主要集中与微纳尺度而不是与电荷传输尺度相匹配的原子尺度，这就导致界面处很多缺陷的形成，这些缺陷往往会成为载流子的复合中心，进一步阻止了载流子分离的效率提升。

近年来，Ta

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结及其制备方法，还提供了其在光催化完全分解水中的应用，本发明通过水热-原位氮化的技术，可以先合成NaTaO

本发明的技术方案为：

本发明提供一种钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，包括如下步骤：

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中进行真空干燥，然后研磨，置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中进行高温氮化处理，得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

优选地，所述溶剂热法的具体步骤为：将Ta

优选地，Ta

优选地，高温氮化处理的具体条件为：以升温速率5℃/min升温至800-1000℃，并保温2-10h，反应后自然冷却至室温；高温氮化处理过程中，高温管式炉中氨气流速为100-200sccm。

本发明还提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结，采用上述制备方法制成，钽系氮氧化物核壳结构异质结以NaTaO

优选地，钽系氮氧化物核壳结构异质结的颗粒粒径为200-1000nm。

本发明还提供了上述钽系氮氧化物核壳结构异质结在在光催化完全分解水中的应用。

本发明还提供了一种光催化完全分解水制氢的方法，以上述钽系氮氧化物核壳结构异质结作为光催化剂，包括如下步骤：

1)负载助催化剂

在光催化反应器中加入甲醇、水和光催化剂，反应前排出瓶内的空气，吹扫完成后先加入Rh源，并利用300W氙灯模拟太阳光照射1h，然后加入Cr

2)光催化反应

在光催化反应器加入水以及负载助催化剂的光催化剂粉末，反应前用真空泵抽气排出瓶内的空气，制造负压状态，随后用300W氙灯模拟太阳光连续照射5h。

优选地，所述Rh源为氯铑酸钠溶液，氯铑酸钠溶液的浓度为0.1-20mmol/L；所述Cr

优选地，负载助催化剂时，Rh与Cr

本发明的有益效果是：

(1)传统的Ta

(2)传统的异质结构筑方式多局限于微纳尺度，很难达到原子尺度，本发明提供了一种利用晶体结构相似性与原子共享性在界面处从原子尺度构筑异质结的新方式，NaTaO

(3)通过K-M方程和Mott–Schottky测试，分别获得NaTaO

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结的形貌结构与元素分布图；

图2是本发明所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结的物相结构与化学态特征图；

图3是本发明所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结的光催化完全分解水性能测试图；

图4是本发明所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结能带匹配与电荷传输机理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1

本实施例提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，包括如下步骤：

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

实施例2

本实施例提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，包括如下步骤：

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为150sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

实施例3

本实施例提供了一种钽系氮氧化物核壳结构异质结的制备方法，包括如下步骤：

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

实施例4

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

实施例5

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为200sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

实施例6

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应5h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

实施例7

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应2h，氨气流量为200sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

实施例8

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，1000℃反应5h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

实施例9

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，900℃反应10h，氨气流量为100sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

实施例10

S1、以Ta

S2、将NaTaO

S3、将白色固体产物转移到真空烘箱中，80℃保温10h，然后将产物转移到玛瑙研钵中，研磨30min，称取100mg均匀置于刚玉磁舟中，并整体置于通有流通氨气的高温管式炉中，800℃反应10h，氨气流量为150sccm，升温速率为5℃/min，反应后自然冷却至室温，最终得到浅红色粉末，即为钽系氮氧化物核壳结构异质结。

本发明实施例1所制备的钽系氮氧化物的形貌结构如图1所示：图a和b分别是所制备的钽系氮氧化物的SEM和TEM形貌图，可以看到此钽系氮氧化物为缺角的立方体结构，且棱角处出现明显分层结构，整体粒径为300-500nm，c-d是此钽系氮氧化物的高倍STEM和HRTEM图像，可以看到其为明显的核壳结构分布，内部为NaTaO

本发明实施例1所制备的钽系氮氧化物的物相结构与化学态特征如图2所示：图a与b是XRD和Raman物相分析，可以明显看到钽系氮氧化物显示NaTaO

本发明实施例1所制备的钽系氮氧化物的光催化完全分解水性能测试如图3所示，对应的光催化完全分解水制氢的方法，包括如下步骤，其中实施例1所制备的钽系氮氧化物核壳结构异质结作为光催化剂：

1)负载助催化剂

在光催化反应器中加入16mL甲醇、64mL水和50mg光催化剂，反应前用氩气Ar吹扫20min排出瓶内的空气，吹扫完成后先加入Rh源(氯铑酸钠溶液，Na

2)光催化反应

在光催化反应器加入80mL水以及负载助催化剂的光催化剂粉末10mg，反应前用真空泵抽气15min排出瓶内的空气，制造负压状态，随后用300W氙灯模拟太阳光连续照射5h。

在图3中，图a表示光催化分解水性能随不同助催化剂负载比例的变化。可以发现，在负载不同比例Rh-Cr

本发明所制备的钽系氮氧化物能带匹配与电荷传输机理如图4所示。以实施例1所制备的钽系氮氧化物为例，可以看到，测试结果表明，NaTaO

综上所述，本发明提供一种钽系氮氧化物(NTO/TaN)核壳结构异质结的制备方法，所制得的钽系氮氧化物为有核NaTaO

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。