一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光催化劑的制備領(lǐng)域，特別涉及一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今，可見光催化材料的工作重點(diǎn)主要還是發(fā)展新型催化劑和助催化劑、深入研宄光催化全水分解中催化劑的作用機(jī)理。某些材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可見光吸收光譜在420-450nm的有效調(diào)控，但進(jìn)一步拓寬其可見光響應(yīng)范圍寬、增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性、提高其量子效率依然是今后研宄的重點(diǎn)。
[0003]TaON的帶隙較窄(2.5eV)，光催化反應(yīng)過程中穩(wěn)定，在含有合適的電子給體和受體的溶液中能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣和氧氣的同時(shí)釋放，被認(rèn)為是一種前景廣闊的太陽能光催化制氫材料。Domen，K.等的工作表明在，TaON的導(dǎo)帶電位比標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位稍負(fù)，為-0.3V，而其價(jià)帶電位比氧電極電位稍正，為+2.2V，故能夠滿足水分解的氧化還原反應(yīng)要求[TheJournal of Physical Chemistry C(2011)，115，647-652]。TaON 可在含有電子給體(甲醇、甲酸等)的水溶液中，在可見光的照射下光解水制氫。報(bào)道的TaON的光催化活性并不是很高，這與它的晶型有關(guān)。在最近的報(bào)道中，提到γ-TaON具有較高的活性，受到了廣泛的關(guān)注[Energy&Environmental Science (2013), 6, 2134 - 2144]。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，本發(fā)明制備方法簡單，易于操作，可重復(fù)性強(qiáng)，本發(fā)明制備得到的γ -TaON相的純度高，結(jié)晶性能好，光催化活性高。
[0005]本發(fā)明的一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，包括:
[0006](I)室溫條件下，將金屬鉭分散在去離子水中，分散均勻后加入氫氟酸溶液和過氧化氫溶液，形成反應(yīng)液，然后進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到無定型的Ta2O5;
[0007](2)將上述所得無定型Ta2O5冷卻至室溫，離心，洗滌，烘干后進(jìn)行研磨，然后在800-850°C條件下，在氨氣氛圍中反應(yīng)6-12h，得到Ta3N5或γ-TaON，然后在500_600°C條件下，保溫10-30min，Ta3N5也轉(zhuǎn)化γ-TaON，即得氧氮化鉭光催化材料。
[0008]所述步驟(I)中金屬鉭分散在去離子水中的濃度為0.05-0.2M。
[0009]優(yōu)選金屬鉭分散在去離子水中的濃度為0.06M、0.12M或0.18M。
[0010]所述步驟(I)中分散為超聲分散，時(shí)間為30-60min。
[0011]所述步驟(I)中反應(yīng)液中過氧化氫的體積百分濃度為5-20%，氫氟酸的體積百分濃度為1_5%。所述步驟⑴中水熱反應(yīng)溫度為150-180°C，時(shí)間為12-16h。
[0012]所述步驟(2)中在800-850°C條件下為在管式爐中升溫至800-850°C ;500-600°C條件下為在馬弗爐中升溫至500-600°C。
[0013]所述步驟(2)中氨氣的流量為100?200ml/min。
[0014]所述步驟(2)中氧氮化鉭光催化材料的比表面積為38-45m2/g。
[0015]本發(fā)明中氧氮化鉭可通過氧化鉭微粉與氨氣反應(yīng)，但微粉的活性不高且反應(yīng)時(shí)間較長，所制得的產(chǎn)物中往往含有未反應(yīng)完成的Ta2O5，或氮化過量而生成的Ta3N5，致使制得的TaON相不純，因此尋找一種制備光催化活性更高、相純的γ -TaON的方法。
[0016]本發(fā)明采用水熱法，高溫氮化法和高溫煅燒法制得的純相γ -TaON，可重復(fù)性好。
[0017]有益效果
[0018](I)本發(fā)明的制備方法簡單，易于操作，可重復(fù)性強(qiáng)；
[0019](2)本發(fā)明的制備方法所制備的γ-TaON相的純度高，結(jié)晶性能好，光催化活性尚;
[0020](3)本發(fā)明制備的氧氮化鉭相純，可重復(fù)性好可相應(yīng)波長小于525nm的可見光及紫外光，在光解水制氫、空氣凈化及水處理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0021 ] 圖1是不同階段所制備材料的X射線衍射對比圖，分別是Ta205、Ta3N5和y-TaON(卡片號:ICCD-01-076_3258)；
[0022]圖2是水熱處理、850°C氮化10h，空氣中煅燒后30min制備的γ -TaON的掃描電鏡照片；
[0023]圖3是γ -TaON的紫外-可見光漫反射光譜；
[0024]圖4是γ -TaON粉體的氮?dú)馕?脫附等溫線；
[0025]圖5為實(shí)施例1制得的γ -TaON在可見光照射下光催化分解水制氫速率圖；
[0026]圖6為實(shí)施例2制得的γ -TaON在可見光照射下光催化分解水制氫速率圖；
[0027]圖7為實(shí)施例3制得的γ -TaON在可見光照射下光催化分解水制氫速率圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0029]實(shí)施例1
[0030](I)室溫下將Ig金屬鉭粉分散到40ml去離子水中，分散均勻后加入Iml的氫氟酸溶液(濃度40% )和4ml過氧化氫溶液(濃度30% )，形成反應(yīng)液；
[0031](2)將上述反應(yīng)液放入水熱釜中，升溫至160°C反應(yīng)12h ；
[0032](3)將所得產(chǎn)物冷卻至室溫，離心收集產(chǎn)物，洗滌產(chǎn)物，烘干，研磨；
[0033](4)將上述所得粉體放于管式爐中升溫至850°C，在氨氣氛圍中氮化10h，氨氣的流量為100ml/min，所得粉體放于馬弗爐中升溫至500°C，保溫30min。得到光催化材料γ-TaON0
[0034]圖1為不同反應(yīng)階段制備的光催化材料的X射線衍射圖，從中可以看出通過調(diào)控實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到了純相的Y_Ta0N(卡片號:ICCD-01-076-3258)。
[0035]圖2為所制備氧氮化鉭的場發(fā)射掃描電鏡圖，從圖中可以看出在顆粒表面長滿了針狀的氧氣化組，有效的提尚太陽光的利用率。
[0036]圖3為光催化材料γ-TaON的紫外-可見光漫反射圖譜，可以看出氧氮化鉭在可見光區(qū)有較強(qiáng)的吸收峰。
[0037]圖4為γ -TaON粉體的氮?dú)馕?脫附等溫線，通過計(jì)算比表面積為38.2m2/g。
[0038]圖5為光催化材料γ -TaON在可見光照射下光催化分解水制氫，產(chǎn)氫速率最快為5umol/h。
[0039]實(shí)施例2
[0040](I)室溫下將Ig金屬鉭粉分散到20ml去離子水中，分散均勻后加入Iml的氫氟酸溶液和4ml過氧化氫溶液，形成反應(yīng)液；
[0041](2)將上述反應(yīng)液放入水熱釜中，升溫至180°C反應(yīng)1h ；
[0042](3)將所得產(chǎn)物冷卻至室溫，離心收集產(chǎn)物，洗滌產(chǎn)物，烘干，研磨；
[0043](4)將上述所得粉體放于管式爐中升溫至850°C，在氨氣氛圍中氮化12h，氨氣的流量為180ml/min，所得粉體放于馬弗爐中升溫至500°C，保溫30min，得到光催化材料Y -TaON。X射線衍射分析表明本實(shí)例得到光催化材料是純相的氧氮化鉭，紫外-可見光漫反射圖譜可以看出氧氮化鉭在可見光區(qū)有較強(qiáng)的吸收峰，在可見光照射下光催化分解水制氫速率圖6，產(chǎn)氫速率最快為4.5umol/ho
[0044]實(shí)施例3
[0045](I)室溫下將Ig金屬鉭粉分散到60ml去離子水中，分散均勻后加入Iml的氫氟酸溶液和4ml過氧化氫溶液，形成反應(yīng)液；
[0046](2)將上述反應(yīng)液放入水熱釜中，升溫至150°C反應(yīng)15h ；
[0047](3)將所得產(chǎn)物冷卻至室溫，離心收集產(chǎn)物，洗滌產(chǎn)物，烘干，研磨；
[0048](4)將上述所得粉體放于管式爐中升溫至850°C，在氨氣氛圍中氮化6h，氨氣的流量為160ml/min，所得粉體放于馬弗爐中升溫至500°C，保溫30min，得到光催化材料氧氮化鉭。X射線衍射分析表明本實(shí)例得到光催化材料是純相的氧氮化鉭，紫外-可見光漫反射圖譜可以看出氧氮化鉭在可見光區(qū)有較強(qiáng)的吸收峰，在可見光照射下光催化分解水制氫速率圖7，產(chǎn)氫速率最快為3.9umol/ho
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，包括: (1)室溫條件下，將金屬鉭分散在去離子水中，分散均勻后加入氫氟酸溶液和過氧化氫溶液，形成反應(yīng)液，然后進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到無定型的Ta2O5; (2)將上述所得無定型Ta2O5冷卻至室溫，離心，洗滌，烘干后進(jìn)行研磨，然后在800-850°C條件下，在氨氣氛圍中反應(yīng)6-12h，然后在500-600°C條件下，保溫10_30min，即得氧氮化鉭光催化材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中金屬鉭分散在去離子水中的濃度為0.05-0.2M。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，其特征在于:所述金屬鉭分散在去離子水中的濃度為0.06M、0.12M或0.18M。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中分散為超聲分散，時(shí)間為30-60min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中反應(yīng)液中過氧化氫的體積百分濃度為5-20%，氫氟酸的體積百分濃度為1-5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，其特征在于:所述步驟⑴中水熱反應(yīng)溫度為150-180°C，時(shí)間為12-16h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中在800-850°C條件下為在管式爐中升溫至800-850°C ;500_600°C條件下為在馬弗爐中升溫至500-600 °C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中氨氣的流量為100?200ml/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中氧氮化鉭光催化材料的比表面積為38-45m2/g。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氧氮化鉭光催化材料的制備方法，包括：室溫條件下，將金屬鉭分散在去離子水中，分散均勻后加入氫氟酸溶液和過氧化氫溶液，形成反應(yīng)液，然后進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到無定型的Ta2O5；將上述所得無定型Ta2O5冷卻至室溫，離心，洗滌，烘干后進(jìn)行研磨，然后在800-850℃條件下，在氨氣氛圍中反應(yīng)6-12h，然后在500-600℃條件下，保溫10-30min，即得。本發(fā)明制備的氧氮化鉭相純，可重復(fù)性好可相應(yīng)波長小于525nm的可見光及紫外光，在光解水制氫、空氣凈化及水處理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
【IPC分類】B01J27-24, C01B3-04
【公開號】CN104607226
【申請?zhí)枴緾N201510020555
【發(fā)明人】張青紅, 郭冬雪, 王宏志, 李耀剛, 曹廣秀
【申請人】東華大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月15日