[發明專利]一種鉭氧氯微米立方晶體光催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510242161.6
• 申請日: 2015-05-12
• 公開（公告）號: CN104874410B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 官建國;涂浩;許蕾蕾
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B01J27/06
• 分類號: B01J27/06;C01G35/00;C01B3/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 唐萬榮,劉洋

技術領域

本發明屬于光催化制氫技術領域，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用。

背景技術

半導體光催化制氫是利用半導體的光電效應，通過太陽光激發電子和空穴來分解水制取氫氣。鉭基氧化物半導體的導帶為Ta5d軌道，具有更負的導帶位置，在光催化還原H⁺上具有顯著的優勢。《今日催化》雜志(Catalysis today，1996年，28卷，175頁)報道了Ta₂O₅在紫外光照射下具有分解水的能力。然而由于鉭基前驅體通常具有較快的水解速率，很難實現鉭氧化物的成核與生長速率的控制，導致獲得的鉭氧化物多為無定形或者多晶結構，結晶度較差，影響了光催化反應中催化劑內部光生載流子的遷移與傳輸。

近年來，為了進一步提高此類材料的結晶度，國內外科研工作者針對這一現象圍繞著Ta₂O₅結構調控開展了相關的研究工作。《道爾頓會志》(Dalton Transactions，2012年，41期，622頁)報道了以Ta₂O₅粉末為原料，通過氫氟酸和氨水刻蝕，在水熱條件下制備了沿[010]方向生長的Ta₂O₅單晶納米線，表現出了增強的光催化產氫性能。《化學通訊》雜志(Chemical Communications，2012年，48期，7301頁)通過控制氫氟酸與雙氧水刻蝕Ta粉生成的中間產物H₂TaO₇的水解速率在一定程度上調控了Ta₂O₅的成核與生長速率，獲得了由Ta₂O₅單晶納米棒組成的分級結構，相比于商用的Ta₂O₅表現出具有更高的制氫活性。但是目前獲得的具有單晶性質的鉭氧化物，往往在合成中需引入強腐蝕性的HF酸，必然會導致產物中缺陷的存在；而且所制備的產物均為一維納米結構，具有相同的曝露晶面。

發明內容

本發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、電荷遷移效率高、光催化產氫能力強，且制備方法簡單，反應溫和，重復性好，能廣泛應用于前驅體水解較快的金屬氧化物的單晶結構的制備。

為達到上述目的，采用技術方案如下：

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、過濾并干燥得到；其由鉭、氧和氯三種元素組成，分子式為TaO_(5-x)/2Cl_x(x＝0.51～0.81)；具有單晶性質，曝露晶面為{100}；為立方塊形貌，尺寸0.2-3.0μm。

按上述方案，所述含有Ta⁵⁺的鉭鹽為有機鉭鹽和無機鉭鹽，無機鉭鹽為五氯化鉭，有機鉭鹽為乙醇鉭。

按上述方案，所述HCl與羧酸的摩爾比為1:(1.4～5.6)。

按上述方案，所述羧酸為小分子直鏈羧酸冰醋酸或丙酸。

按上述方案，所述水解反應條件為100-240℃反應3-18h。

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：

1)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)；

2)將溶有鉭鹽的混合溶液在100-240℃溫度下水解反應3-18小時；

3)自然冷卻，過濾收集沉淀物，干燥得到鉭氧氯微米立方晶體。

按上述方案，所述含有Ta⁵⁺的鉭鹽為有機鉭鹽和無機鉭鹽，無機鉭鹽為五氯化鉭，有機鉭鹽為乙醇鉭。

按上述方案，所述羧酸為小分子直鏈羧酸冰醋酸或丙酸。

上述鉭氧氯微米立方晶體光催化劑在光催化產氫領域的應用。

本發明有益效果在于：

本發明針提供的鉭氧氯微米立方晶體，構建強酸-弱酸混合體系，精細控制溶液的酸度，從而控制Ta⁵⁺離子的水解速率，建立晶體生長的準平衡環境，獲得鉭氧氯立方晶體。

該制備方法簡單，反應溫和，重復性好，可廣泛應用于前驅體水解較快的金屬氧化物的單晶結構的制備。

該微米立方晶體具有高結晶度，強吸光能力和快的電荷遷移效率，具有較強的光催化產氫能力，在太陽能的利用與光化學轉換領域有廣泛的應用前景。

附圖說明