一種鉭氧氯微米立方晶體光催化劑及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光催化制氫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鉭氧氯微米立方晶體光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體光催化制氫是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，通過(guò)太陽(yáng)光激發(fā)電子和空穴來(lái)分解水制取氫氣。鉭基氧化物半導(dǎo)體的導(dǎo)帶為T(mén)a5d軌道，具有更負(fù)的導(dǎo)帶位置，在光催化還原H+上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。《今日催化》雜志(Catalysis today，1996年，28卷，175頁(yè))報(bào)道了Ta2O5在紫外光照射下具有分解水的能力。然而由于鉭基前驅(qū)體通常具有較快的水解速率，很難實(shí)現(xiàn)鉭氧化物的成核與生長(zhǎng)速率的控制，導(dǎo)致獲得的鉭氧化物多為無(wú)定形或者多晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較差，影響了光催化反應(yīng)中催化劑內(nèi)部光生載流子的迀移與傳輸。
[0003]近年來(lái)，為了進(jìn)一步提高此類(lèi)材料的結(jié)晶度，國(guó)內(nèi)外科研工作者針對(duì)這一現(xiàn)象圍繞著Ta2O5結(jié)構(gòu)調(diào)控開(kāi)展了相關(guān)的研宄工作?！兜罓栴D會(huì)志》(Dalton Transact1ns，2012年，41期，622頁(yè))報(bào)道了以Ta2O5粉末為原料，通過(guò)氫氟酸和氨水刻蝕，在水熱條件下制備了沿[010]方向生長(zhǎng)的Ta2O5單晶納米線，表現(xiàn)出了增強(qiáng)的光催化產(chǎn)氫性能?！痘瘜W(xué)通訊》雜志(Chemical Communicat1ns，2012年，48期，7301頁(yè))通過(guò)控制氫氟酸與雙氧水刻蝕Ta粉生成的中間產(chǎn)物H2TaO7的水解速率在一定程度上調(diào)控了 Ta2O5的成核與生長(zhǎng)速率，獲得了由Ta2O5單晶納米棒組成的分級(jí)結(jié)構(gòu)，相比于商用的Ta2O5表現(xiàn)出具有更高的制氫活性。但是目前獲得的具有單晶性質(zhì)的鉭氧化物，往往在合成中需引入強(qiáng)腐蝕性的HF酸，必然會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物中缺陷的存在；而且所制備的產(chǎn)物均為一維納米結(jié)構(gòu)，具有相同的曝露晶面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于提供一種鉭氧氯微米立方晶體光催化劑及其制備方法，其吸光能力強(qiáng)、電荷迀移效率高、光催化產(chǎn)氫能力強(qiáng)，且制備方法簡(jiǎn)單，反應(yīng)溫和，重復(fù)性好，能廣泛應(yīng)用于前驅(qū)體水解較快的金屬氧化物的單晶結(jié)構(gòu)的制備。
[0005]為達(dá)到上述目的，采用技術(shù)方案如下:
[0006]一種鉭氧氯微米立方晶體光催化劑，由含有Ta5+的鉭鹽在HCl-羧酸混合體系中水解、過(guò)濾并干燥得到；其由鉭、氧和氯三種元素組成，分子式為T(mén)a0(5_x)/2Clx(X = 0.51?
0.81);具有單晶性質(zhì)，曝露晶面為{100};為立方塊形貌，尺寸0.2-3.0 μ m。
[0007]按上述方案，所述含有Ta5+的鉭鹽為有機(jī)鉭鹽和無(wú)機(jī)鉭鹽，無(wú)機(jī)鉭鹽為五氯化鉭，有機(jī)鉭鹽為乙醇鉭。
[0008]按上述方案，所述HCl與羧酸的摩爾比為1: (1.4?5.6)。
[0009]按上述方案，所述羧酸為小分子直鏈羧酸冰醋酸或丙酸。
[0010]按上述方案，所述水解反應(yīng)條件為100-240 °C反應(yīng)3_18h。
[0011]上述鉭氧氯微米立方晶體光催化劑的制備方法，包括以下步驟:
[0012]I)將含有Ta5+的鉭鹽溶解到濃鹽酸與羧酸的混合溶液中，其中HCl與羧酸的摩爾比為 1: (1.4 ?5.6)；
[0013]2)將溶有鉭鹽的混合溶液在100_240°C溫度下水解反應(yīng)3_18小時(shí)；
[0014]3)自然冷卻，過(guò)濾收集沉淀物，干燥得到鉭氧氯微米立方晶體。
[0015]按上述方案，所述含有Ta5+的鉭鹽為有機(jī)鉭鹽和無(wú)機(jī)鉭鹽，無(wú)機(jī)鉭鹽為五氯化鉭，有機(jī)鉭鹽為乙醇鉭。
[0016]按上述方案，所述羧酸為小分子直鏈羧酸冰醋酸或丙酸。
[0017]上述鉭氧氯微米立方晶體光催化劑在光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0018]本發(fā)明有益效果在于:
[0019]本發(fā)明針提供的鉭氧氯微米立方晶體，構(gòu)建強(qiáng)酸-弱酸混合體系，精細(xì)控制溶液的酸度，從而控制Ta5+離子的水解速率，建立晶體生長(zhǎng)的準(zhǔn)平衡環(huán)境，獲得鉭氧氯立方晶體。
[0020]該制備方法簡(jiǎn)單，反應(yīng)溫和，重復(fù)性好，可廣泛應(yīng)用于前驅(qū)體水解較快的金屬氧化物的單晶結(jié)構(gòu)的制備。
[0021]該微米立方晶體具有高結(jié)晶度，強(qiáng)吸光能力和快的電荷迀移效率，具有較強(qiáng)的光催化產(chǎn)氫能力，在太陽(yáng)能的利用與光化學(xué)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1:本發(fā)明實(shí)施例1合成的鉭氧氯微米立方晶體的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖；
[0023]圖2:本發(fā)明實(shí)施例1合成的鉭氧氯微米立方晶體的電子衍射圖像；
[0024]圖3:本發(fā)明實(shí)施例1合成的鉭氧氯微米立方晶體的粉末X射線衍射圖譜；
[0025]圖4:本發(fā)明實(shí)施例1合成的鉭氧氯微米立方晶體的X射線光電子能譜；
[0026]圖5:本發(fā)明實(shí)施例1合成的鉭氧氯微米立方晶體與對(duì)比樣品的紫外-可見(jiàn)漫反射光譜；
[0027]圖6:本發(fā)明實(shí)施例1合成的鉭氧氯微米立方晶體與對(duì)比樣品的阻抗譜；
[0028]圖7:本發(fā)明實(shí)施例1合成的鉭氧氯微米立方晶體與對(duì)比樣品的光催化產(chǎn)氫性會(huì)K ;
[0029]圖8:本發(fā)明實(shí)施例2合成的鉭氧氯微米立方晶體的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和X射線能譜圖；
[0030]圖9:本發(fā)明實(shí)施例3合成的鉭氧氯微米立方晶體的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和X射線能譜圖；
[0031]圖10:本發(fā)明實(shí)施例4合成的鉭氧氯微米立方晶體的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和X射線能譜圖；
[0032]圖11:本發(fā)明實(shí)施例5合成的鉭氧氯微米立方晶體的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和X射線能譜圖；
[0033]圖12:本發(fā)明實(shí)施例6合成的鉭氧氯微米立方晶體的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和X射線能譜圖；
[0034]圖13:本發(fā)明實(shí)施例7合成的鉭氧氯微米立方晶體的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和X射線能譜圖；
[0035]圖14:本發(fā)明實(shí)施例8合成的鉭氧氯微米立方晶體的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和X射線能譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下實(shí)施例進(jìn)一步闡釋本發(fā)明技術(shù)方案的技術(shù)方案，但不作為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0037]實(shí)施例1
[0038]將0.6mmol TaCl5溶解到15ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%的濃鹽酸中至溶液澄清。將30ml冰醋酸加入到上述溶液中，攪拌至氣泡消失；將混合溶液(HCl與羧酸的摩爾比為1:2.82)轉(zhuǎn)入50ml反應(yīng)釜中；將反應(yīng)釜在200°C溫度下加熱10小時(shí)，然后自然冷卻，收集沉淀物，在干燥器中常溫干燥，得到一種鉭氧氯微米立方晶體。
[0039]參照附圖1-6所示，由圖1中本實(shí)施例產(chǎn)物的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖像可知，所得的產(chǎn)物為0.2-1.5 μπι的微米立方塊；圖2電子衍射圖譜匯中陣列狀的斑點(diǎn)說(shuō)明該微米立方塊具有單晶性質(zhì)；圖3粉末X射線衍射圖譜與圖4 X射線光電子