[發明專利]一種非晶小尺寸氧化鈷負載氮氧化鉭的制備方法及應用

在審

• 申請號: 202110263159.2
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113060771A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 楊化桂;肖士楊;劉鵬飛;袁海洋;毛芳欣;楊曉華
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: C01G51/04
• 分類號: C01G51/04;C01G35/00;B01J27/24;C01B13/02
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責任公司 31203
• 代理人: 顧蘭芳

本發明涉及一種非晶小尺寸氧化鈷負載氮氧化鉭的制備方法及應用。首先利用高溫氮化反應合成氮氧化鉭(TaON)，后以金屬有機鹽乙酰丙酮鈷(Co(acac)₂)作為前驅體，采用光沉積的方式在氮氧化鉭(TaON)表面均勻負載氧化鈷(CoO_x)的非晶小尺寸團簇，該負載狀態是提升氮氧化鉭光催化產氧性能的關鍵，最優的產氧性能可達6120±342μmol g^?1h^?1，420nm波長處的表觀量子產率(AQY)為21.2±1.05％。這種光沉積金屬有機鹽的負載方式適用于鉭基氮化物，其制備過程簡便，環境友好，制得的材料體系還可作為光催化全分解水Z體系的產氧端材料，在環境科學和新能源領域有著非常廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種具有高效光催化分解水產氧性能的非晶小尺寸氧化鈷(CoO_x)負載氮氧化鉭的制備方法及應用，非晶小尺寸氧化鈷(CoO_x)的負載是材料性能有效提高的關鍵。其作為光催化產氧材料，具有較高的光催化產氧性能。其制備過程簡便，環境友好，制得的材料體系還可作為光催化全分解水Z體系的產氧端材料，在環境科學和新能源領域有著非常重要的前景。

背景技術

目前，能源危機和環境問題是全球亟需解決的兩大重要問題。用半導體光催化技術將太陽能直接轉化成化學能被認為是最有前景的技術概念之一，該技術具有工藝簡單、原料易得、清潔環保的優點，在環保和能源領域有著潛在的應用價值。光催化分解水反應由水氧化生成氧氣和水還原生成氫氣兩個半反應共同組成，由于水氧化是一個四電子的傳輸過程，所以其對全分解水的總體效率起決定性作用。氮(氧)化鉭是一類優異的光催化產氧材料，憑借其相對窄的帶隙(約為2.1-2.5eV)，合適的導價帶位置，良好的可見光吸收性能以及穩定性好、無毒等特有的優勢，受到人們的廣泛關注和研究。

光催化水氧化主要分為以下三個步驟：半導體光催化劑對太陽光的捕獲與吸收，光激發半導體材料內部電子和空穴發生分離和傳輸，電子和空穴遷移到半導體表面分別參與犧牲劑的還原和水的氧化生成氧氣。然而，氮(氧)化鉭作為半導體材料仍然存在內部電荷分離、傳輸效率低，電荷復合率大以及水氧化動力學緩慢的問題。為解決這一問題，人們通過元素摻雜、助催化劑負載、構建異質結等手段已經取得了階段性成果。其中，助催化劑負載是較為簡單有效的方法，其能夠在負載非常少量助催化劑的情況下實現光催化性能的大幅度提升。同時，助催化劑的晶體結構、尺寸和分布都會極大程度的影響助催化劑的性能。目前，光催化產氧助催化劑主要有IrO₂、RuO₂、CoO_x等，制備出能大幅度提升氮(氧)化鉭光催化產氧性能的助催化劑十分必要。

本發明利用光沉積金屬有機鹽的簡便方法，在TaON表面負載了均勻分散的非晶小尺寸氧化鈷(CoO_x)，該結構能夠有效提升TaON的光催化產氧性能。同時，可將其應用于器件的產氧端，有望大幅提升全分解水的效率。該制備方法簡單方便，清潔環保，在光催化和光電催化領域有十分廣闊的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有高效光催化分解水產氧性能的非晶小尺寸氧化鈷(CoOx)負載氮氧化鉭的制備方法及應用，制備方法簡單，可重復性高。所制備的材料具有優異的光催化水分解產氧能力和顯著的表觀量子產率。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種具有高效光催化分解水產氧性能的非晶小尺寸氧化鈷(CoO_x)負載氮氧化鉭的制備方法，包含以下步驟：

將氧化鉭(Ta₂O₅)粉末充分研磨后放入方舟中，之后將方舟放入管式爐中，氨氣氣氛(25-45cc/min)下850-950℃煅燒12-15h后得到氮氧化鉭(TaON)粉末。得到的氮氧化鉭粉末加入到含有一定量Co(acac)₂的水乙醇混合溶液中，充分超聲分散后，將混合溶液置于全波段的光源下光照一定時間，離心干燥后得到非晶小尺寸氧化鈷(CoOx)負載的氮氧化鉭。