鉭基一維納米陣列電極制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料的制備以及在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用。具體涉及鉭基氧化物和氮化物一維納米陣列電極制備方法以及該一維材料作為光電極在太陽能可見光分解水中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石能源的日益枯竭，開發(fā)新能源成為世界各國研宄的熱點(diǎn)。光伏發(fā)電作為太陽能利用的一個重要方面，受到人們的廣泛關(guān)注。光電極催化反應(yīng)指通過照射光催化電極，在電極中間形成電流，電極兩端形成光電池，陽極產(chǎn)生空穴，陰極產(chǎn)生電子，從而將有機(jī)污染物降解，或者將水分解為氫氣和氧氣，是一種十分有潛力的光電轉(zhuǎn)化的方法。其中，T12由于其禁帶寬度適中、性質(zhì)穩(wěn)定、無毒副作用、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而成為研宄最為廣泛的單一氧化物催化劑。但是由于T12的禁帶寬度為3.2eV，光吸收邊在小于420nm的紫外光范圍，極大的限制了其在富含可見光的太陽光能量下的應(yīng)用。因此在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。而金屬鉭的氮化物由于N的作用，其禁帶寬度剛好屬于可見光區(qū)域，在可見光區(qū)域具有較好的吸收，可直接利用太陽光進(jìn)行光電催化反應(yīng)。
[0003]為了提高可見光光催化材料的活性，目前很多材料被制備成一維材料，這是由于一維結(jié)構(gòu)在促進(jìn)光生載流子的轉(zhuǎn)移和分離過程具有很大優(yōu)勢，并且可以提供更多的活性比表面積，被認(rèn)為是材料制備的一個主要方向。近年來，人們已經(jīng)探索了一些制備一維鉭基材料的方法。Feng等以鉭片為鉭源采用陽極氧化的方法合成出了管狀的氮化鉭(NanoLett.2010, 10, 948-952)。Hou等以鉭箔為鉭源采用加壓水熱的方法制備出了柱狀氮化鉭(CN 10335211A)。
[0004]迄今為止，沒有文獻(xiàn)和專利報道過采用高溫氧化灼燒的手段制備出鉭基一維納米陣列電極材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種鉭基一維納米陣列電極制備方法以及該電極材料作為光電極在太陽能可見光分解水中的應(yīng)用，并通過在其表面負(fù)載助催化劑來提高光催化性能，從而制備出一種高性能光催化劑材料。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵在于以金屬鉭箔為出發(fā)原料，首先將鉭箔控制在lcmX3cm大小，將其放入氣氛控制高溫反應(yīng)器中，通入非氧化性氣氛，防止鉭箔氧化，直至升溫至600°C?1200°C ;在反應(yīng)器溫度到達(dá)指定溫度后，通入10mL/min?1000mL/min流量的高純氧氣進(jìn)行氧化灼燒反應(yīng)，進(jìn)氣時間為1min?120min ;灼燒氧化反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉氧氣進(jìn)氣，繼續(xù)通入非氧化性氣氛保護(hù)，直至溫度降至室溫，得到鉭基一維氧化物納米陣列電極。將上述步驟得到的鉭基一維氧化物納米陣列電極進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到熱處理爐中進(jìn)行氮化熱處理，通過控制氨氣與水蒸氣流量lmL/min?1000mL/min，在700°C?900°C反應(yīng)2?20h，將得到不同氮含量的鉭的氮氧化物以及氮化物。將得到的電極材料擔(dān)載Ir02，RuO2,Rh02，CoOx助催化劑制備成光電極，最終得到鉭基一維納米陣列電極材料。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供上述鉭基一維納米陣列電極材料的應(yīng)用。
[0008]光催化分解水性能測試方法:在模擬太陽光300W氙燈照射下，用濾光片濾掉紫外光，帶有水冷裝置的反應(yīng)器至于光源5cm處，將光電極作為工作電極陽極，對電極采用鉑片作為陰極，溶液采用硫酸鈉純水溶液，采用電化學(xué)工作站對其進(jìn)行光電流的測量。
[0009]本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明制備的一維納米陣列電極材料具有高的光電轉(zhuǎn)換效率，用于太陽能轉(zhuǎn)化利用和環(huán)境治理，如光解水、空氣凈化及水處理等方面具有很好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的X射線衍射圖。
[0011]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的X射線衍射圖。
[0012]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的掃描電鏡圖。
[0013]圖4為本發(fā)明比較例I的掃描電鏡圖。
[0014]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的光電流曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
[0016]實(shí)施例1
[0017]將lcmX3cm鉭箔放入氣氛控制高溫反應(yīng)器中。通入氬氣與氮?dú)饣旌蠚?，升溫?200°C，隨后通入10mL/min流量的高純氧氣進(jìn)行氧化灼燒反應(yīng)，進(jìn)氣時間為60min，反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉氧氣進(jìn)氣，繼續(xù)通入氬氣與氮?dú)饣旌蠚夥毡Ｗo(hù)，直至溫度降至室溫，得到鉭基一維氧化物納米陣列電極。將上述步驟得到的鉭基一維氧化物納米陣列電極進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到熱處理爐中進(jìn)行氮化熱處理，通過控制氨氣與水蒸氣流量10mL/min，在700°C反應(yīng)10h，將得到氮氧化鉭光電極。將得到的電極材料擔(dān)載CoOJft催化劑，最終得到鉭基一維納米陣列電極材料。采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)對產(chǎn)品進(jìn)行分析。
[0018]實(shí)施例2
[0019]將I cm X 3cm鉭箔放入氣氛控制高溫反應(yīng)器中。通入氮?dú)?，升溫?00 °C，隨后通入lOOmL/min流量的高純氧氣進(jìn)行氧化灼燒反應(yīng)，進(jìn)氣時間為lOOrnin，反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉氧氣進(jìn)氣，繼續(xù)通入氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，直至溫度降至室溫，得到鉭基一維氧化物納米陣列電極。將上述步驟得到的鉭基一維氧化物納米陣列電極進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到熱處理爐中進(jìn)行氮化熱處理，通過控制氨氣與水蒸氣流量1000mL/min，在900°C反應(yīng)20h，將得到氮化鉭光電極。將得到的電極材料擔(dān)載11<)2助催化劑，最終得到鉭基一維納米陣列電極材料。采用X射線衍射(XRD)、對產(chǎn)品進(jìn)行分析。
[0020]比較例I
[0021]將IcmX 3cm鉭箔放入氣氛控制高溫反應(yīng)器中。通入氮?dú)?，升溫?00°C，隨后通入50mL/min流量的高純氧氣進(jìn)行氧化灼燒反應(yīng)，進(jìn)氣時間為5min，反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉氧氣進(jìn)氣，繼續(xù)通入氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，直至溫度降至室溫，得到鉭基一維氧化物納米陣列電極。將上述步驟得到的鉭基一維氧化物納米陣列電極進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到熱處理爐中進(jìn)行氮化熱處理，通過控制氨氣與水蒸氣流量500mL/min，在800°C反應(yīng)15h，將得到氮化鉭光電極。將得到的電極材料擔(dān)載仙02助催化劑，最終得到電極材料。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對產(chǎn)品進(jìn)行分析。
[0022]通過實(shí)施例1與實(shí)施例2分別合成了氮氧化鉭和氮化鉭兩種一維電極材料，圖1和圖2分別是其X射線衍射圖。通過實(shí)施例1的掃描電鏡圖片(圖3)可以看出，實(shí)施例1合成出了一維的氮氧化鉭電極。電極通過負(fù)載CoOJft催化劑后測試其光電流如圖5所示，在未有光照的時候兩種電極都未有光電流產(chǎn)生，在光照時，電極都有非常明顯的光電流產(chǎn)生，并且可以看到，負(fù)載CoOx助催化劑后的電極有更高的光電流產(chǎn)生。圖4是比較例的掃描電鏡圖片，可以看出，未達(dá)到合成條件的電極制備將不能合成出一維電極材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.鉭基一維納米陣列電極制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將鉭箔放入氣氛控制高溫反應(yīng)器中，通入非氧化性氣氛，防止鉭箔氧化，直至升溫至指定溫度； (2)在反應(yīng)器溫度到達(dá)指定溫度后，通入高純氧氣進(jìn)行氧化灼燒反應(yīng)，控制氧氣進(jìn)氣量及進(jìn)氣時間； (3)氧化灼燒反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉氧氣進(jìn)氣，繼續(xù)通入非氧化性氣氛保護(hù)，直至溫度降至室溫，得到鉭基一維氧化物納米陣列電極； (4)將步驟(3)得到的鉭基一維氧化物納米陣列電極采用氨氣和水蒸氣的混合氣流高溫氮化，得到鉭基一維氮化物或氮氧化物納米陣列電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)高溫反應(yīng)器中采用的非氧化性氣氛為氬氣、氮?dú)狻錃饣蚱渲袃煞N及其以上的混合氣氛。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟⑴和(2)中高溫反應(yīng)器的溫度為 600。。?1200。。。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中氧氣的進(jìn)氣量為1mL/min ?1000mL/min，進(jìn)氣時間為 1min ?120min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)中氮化處理的氣流流速為lmL/min ?1000mL/min，在 700°C?900°C反應(yīng) 2 ?20h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，將步驟(4)得到的鉭基一維納米陣列電極擔(dān)載Ir02、RuO2,他02或CoO x中的一種或多種后制備成光電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一權(quán)利要求所述的制備方法所制備的鉭基一維納米陣列電極的用途，用于光解水。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的用途，用于可見光光解水。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一權(quán)利要求所述的制備方法所制備的鉭基一維納米陣列電極的用途，用于空氣凈化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一權(quán)利要求所述的制備方法所制備的鉭基一維納米陣列電極的用途，用于水處理。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鉭基一維納米陣列電極制備方法，以金屬鉭箔原料，將其放入氣氛控制高溫反應(yīng)爐中進(jìn)行表面高溫控制氧化灼燒，得到表面分支定向生長的一維納米陣列電極。得到的氧化物電極進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到熱處理爐中進(jìn)行氮化熱處理，通過控制氨氣與水蒸氣的比例以及流量和時間，將得到不同氮含量的鉭的氮氧化物以及氮化物。制備的鉭基一維納米陣列電極分解水速率顯著提高，通過復(fù)合負(fù)載相后其催化性能可進(jìn)一步得到提高。本發(fā)明制備的可見光響應(yīng)的鉭基一維納米陣列電極具有較高的光量子轉(zhuǎn)化效率，用于太陽能轉(zhuǎn)化利用，在光解水制氫、空氣凈化及水處理等方面具有很好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
【IPC分類】C25B11-02, C25B1-04
【公開號】CN104846396
【申請?zhí)枴緾N201510272491
【發(fā)明人】王政, 尹一男, 張邦勝, 謝鏗, 章俊, 閆麗, 馮愛玲, 趙磊, 林江順
【申請人】北京礦冶研究總院
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月25日