一种氧氮化钽光催化材料的制备方法.pdf

本发明涉及一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，包括：室温条件下，将金属钽分散在去离子水中，分散均匀后加入氢氟酸溶液和过氧化氢溶液，形成反应液，然后进行水热反应，得到无定型的Ta2O5；将上述所得无定型Ta2O5冷却至室温，离心，洗涤，烘干后进行研磨，然后在800-850℃条件下，在氨气氛围中反应6-12h，然后在500-600℃条件下，保温10-30min，即得。本发明制备的氧氮化钽相纯，可重复性好可相应波长小于525nm的可见光及紫外光，在光解水制氢、空气净化及水处理等方面具有广阔的应用前景和经济效益。

权利要求书
1.  一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，包括：
(1)室温条件下，将金属钽分散在去离子水中，分散均匀后加入氢氟酸溶液和过氧化氢溶 液，形成反应液，然后进行水热反应，得到无定型的Ta2O5；
(2)将上述所得无定型Ta2O5冷却至室温，离心，洗涤，烘干后进行研磨，然后在800-850 ℃条件下，在氨气氛围中反应6-12h，然后在500-600℃条件下，保温10-30min，即得 氧氮化钽光催化材料。

2.  根据权利要求1所述的一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1) 中金属钽分散在去离子水中的浓度为0.05-0.2M。

3.  根据权利要求2所述的一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，其特征在于：所述金属钽分 散在去离子水中的浓度为0.06M、0.12M或0.18M。

4.  根据权利要求1所述的一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1) 中分散为超声分散，时间为30-60min。

5.  根据权利要求1所述的一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1) 中反应液中过氧化氢的体积百分浓度为5-20％，氢氟酸的体积百分浓度为1-5％。

6.  根据权利要求1所述的一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1) 中水热反应温度为150-180℃，时间为12-16h。

7.  根据权利要求1所述的一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2) 中在800-850℃条件下为在管式炉中升温至800-850℃；500-600℃条件下为在马弗炉中升 温至500-600℃。

8.  根据权利要求1所述的一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2) 中氨气的流量为100～200ml/min。

9.  根据权利要求1所述的一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2) 中氧氮化钽光催化材料的比表面积为38-45m2/g。

说明书一种氧氮化钽光催化材料的制备方法
技术领域
本发明属于光催化剂的制备领域，特别涉及一种氧氮化钽光催化材料的制备方法。
背景技术
当今，可见光催化材料的工作重点主要还是发展新型催化剂和助催化剂、深入研究光催 化全水分解中催化剂的作用机理。某些材料已经实现了可见光吸收光谱在420-450nm的有效 调控，但进一步拓宽其可见光响应范围宽、增强材料的稳定性、提高其量子效率依然是今后 研究的重点。
TaON的带隙较窄(2.5eV)，光催化反应过程中稳定，在含有合适的电子给体和受体的溶 液中能够实现氢气和氧气的同时释放，被认为是一种前景广阔的太阳能光催化制氢材料。 Domen,K.等的工作表明在，TaON的导带电位比标准氢电极电位稍负，为-0.3V，而其价带电 位比氧电极电位稍正，为+2.2V，故能够满足水分解的氧化还原反应要求[The Journal of  Physical Chemistry C(2011),115,647-652]。TaON可在含有电子给体(甲醇、甲酸等)的水溶液 中，在可见光的照射下光解水制氢。报道的TaON的光催化活性并不是很高，这与它的晶型 有关。在最近的报道中，提到γ-TaON具有较高的活性，受到了广泛的关注[Energy& Environmental Science(2013),6,2134–2144]。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，本发明制备方 法简单，易于操作，可重复性强，本发明制备得到的γ-TaON相的纯度高，结晶性能好，光 催化活性高。
本发明的一种氧氮化钽光催化材料的制备方法，包括：
(1)室温条件下，将金属钽分散在去离子水中，分散均匀后加入氢氟酸溶液和过氧化氢溶 液，形成反应液，然后进行水热反应，得到无定型的Ta2O5；
(2)将上述所得无定型Ta2O5冷却至室温，离心，洗涤，烘干后进行研磨，然后在800-850 ℃条件下，在氨气氛围中反应6-12h，得到Ta3N5或γ-TaON，然后在500-600℃条件下， 保温10-30min，Ta3N5也转化γ-TaON，即得氧氮化钽光催化材料。
所述步骤(1)中金属钽分散在去离子水中的浓度为0.05-0.2M。
优选金属钽分散在去离子水中的浓度为0.06M、0.12M或0.18M。
所述步骤(1)中分散为超声分散，时间为30-60min。
所述步骤(1)中反应液中过氧化氢的体积百分浓度为5-20％，氢氟酸的体积百分浓度为1-5％。 所述步骤(1)中水热反应温度为150-180℃，时间为12-16h。
所述步骤(2)中在800-850℃条件下为在管式炉中升温至800-850℃；500-600℃条件下为在 马弗炉中升温至500-600℃。
所述步骤(2)中氨气的流量为100～200ml/min。
所述步骤(2)中氧氮化钽光催化材料的比表面积为38-45m2/g。
本发明中氧氮化钽可通过氧化钽微粉与氨气反应，但微粉的活性不高且反应时间较长， 所制得的产物中往往含有未反应完成的Ta2O5，或氮化过量而生成的Ta3N5，致使制得的TaON 相不纯，因此寻找一种制备光催化活性更高、相纯的γ-TaON的方法。
本发明采用水热法，高温氮化法和高温煅烧法制得的纯相γ-TaON，可重复性好。
有益效果
(1)本发明的制备方法简单，易于操作，可重复性强；
(2)本发明的制备方法所制备的γ-TaON相的纯度高，结晶性能好，光催化活性高；
(3)本发明制备的氧氮化钽相纯，可重复性好可相应波长小于525nm的可见光及紫外光， 在光解水制氢、空气净化及水处理等方面具有广阔的应用前景和经济效益。
附图说明
图1是不同阶段所制备材料的X射线衍射对比图，分别是Ta2O5、Ta3N5和γ-TaON(卡片号： ICCD-01-076-3258)；
图2是水热处理、850℃氮化10h，空气中煅烧后30min制备的γ-TaON的扫描电镜照片；
图3是γ-TaON的紫外-可见光漫反射光谱；
图4是γ-TaON粉体的氮气吸附-脱附等温线；
图5为实施例1制得的γ-TaON在可见光照射下光催化分解水制氢速率图；
图6为实施例2制得的γ-TaON在可见光照射下光催化分解水制氢速率图；
图7为实施例3制得的γ-TaON在可见光照射下光催化分解水制氢速率图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不 用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可 以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)室温下将1g金属钽粉分散到40ml去离子水中，分散均匀后加入1ml的氢氟酸溶液(浓 度40％)和4ml过氧化氢溶液(浓度30％)，形成反应液；
(2)将上述反应液放入水热釜中，升温至160℃反应12h；
(3)将所得产物冷却至室温，离心收集产物，洗涤产物，烘干，研磨；
(4)将上述所得粉体放于管式炉中升温至850℃，在氨气氛围中氮化10h，氨气的流量为 100ml/min，所得粉体放于马弗炉中升温至500℃，保温30min。得到光催化材料γ-TaON。
图1为不同反应阶段制备的光催化材料的X射线衍射图，从中可以看出通过调控实验参 数得到了纯相的γ-TaON(卡片号：ICCD-01-076-3258)。
图2为所制备氧氮化钽的场发射扫描电镜图，从图中可以看出在颗粒表面长满了针状的 氧氮化钽，有效的提高太阳光的利用率。
图3为光催化材料γ-TaON的紫外-可见光漫反射图谱，可以看出氧氮化钽在可见光区有 较强的吸收峰。
图4为γ-TaON粉体的氮气吸附-脱附等温线，通过计算比表面积为38.2m2/g。
图5为光催化材料γ-TaON在可见光照射下光催化分解水制氢，产氢速率最快为5umol/h。
实施例2
(1)室温下将1g金属钽粉分散到20ml去离子水中，分散均匀后加入1ml的氢氟酸溶液和 4ml过氧化氢溶液，形成反应液；
(2)将上述反应液放入水热釜中，升温至180℃反应10h；
(3)将所得产物冷却至室温，离心收集产物，洗涤产物，烘干，研磨；
(4)将上述所得粉体放于管式炉中升温至850℃，在氨气氛围中氮化12h，氨气的流量为 180ml/min，所得粉体放于马弗炉中升温至500℃，保温30min，得到光催化材料γ-TaON。X 射线衍射分析表明本实例得到光催化材料是纯相的氧氮化钽，紫外-可见光漫反射图谱可以看 出氧氮化钽在可见光区有较强的吸收峰，在可见光照射下光催化分解水制氢速率图6，产氢 速率最快为4.5umol/h。
实施例3
(1)室温下将1g金属钽粉分散到60ml去离子水中，分散均匀后加入1ml的氢氟酸溶液和 4ml过氧化氢溶液，形成反应液；
(2)将上述反应液放入水热釜中，升温至150℃反应15h；
(3)将所得产物冷却至室温，离心收集产物，洗涤产物，烘干，研磨；
(4)将上述所得粉体放于管式炉中升温至850℃，在氨气氛围中氮化6h，氨气的流量为 160ml/min，所得粉体放于马弗炉中升温至500℃，保温30min，得到光催化材料氧氮化钽。 X射线衍射分析表明本实例得到光催化材料是纯相的氧氮化钽，紫外-可见光漫反射图谱可以 看出氧氮化钽在可见光区有较强的吸收峰，在可见光照射下光催化分解水制氢速率图7，产 氢速率最快为3.9umol/h。