氮化物以及氮氧化物可见光光催化剂的制备与性能研究

迄今为止的光催化材料的研究主要集中在各类氧化物上，尽管Ta3N5为代表的氮化物被发现具有良好的可见光催化效果，但是由于在制备技术等方面的限制，其光催化量子效率低、稳定性差。本项目拟采用液相还原方法制备各类纳米尺度的氮化物，并通过适度的热处理实现含氮量和含氧量的精准控制，获得良好可见光光催化效果的氮化物以及氮氧化物。在此基础上，利用液相均相反应的特点对氮化物以及氮氧化物进行掺杂和包裹复合，以期对其能带进行精准调控，进而制备具有合理能带区间的半导体异质结。利用半导体异质结微弱电势差实现电荷的分离，大幅度的提高量子效率。利用原位负载技术，对电子以及正孔的活性点进行微观表面修饰，提高其反应速度。利用氮氧化物在高电势下的稳定性，将空位电荷及调控到氮氧化物一侧，以保障在氧气析出条件下的稳定性，从而保障其长时间使用。通过上述研究实现高效率、长寿命的氮化物/氮氧化物可见光催化材料的研制。

本项目采用低温均相还原法制备成了Ta3N5纳米半导体光催化剂。通过这种方法合成的纳米Ta3N5粉体，在可见光光催化制氢制氧以及降解有机污染物过程中展现出更好的光催化性能，并证明了其在光催化过程中的光催化稳定性。 通过溶胶凝胶法合成了掺杂贵金属的单相TaXzON（X = Pt，Ru，0<Z≤0.001）催化剂与同时负载贵金属的异质结型Xδ/TaXz-δON（X = Pt， Ru，0.001<Z≤0.016）光催化剂。研究发现Ptδ/TaPtz-δON（Z = 0.004）和 Ruδ/TaRuz-δON（Z = 0.004）的制氢效率分别为是普通TaON光催化制氢效率的28和6倍。通过水热法首次合成了具有空心海胆状结构的氧化钽前驱体，结合固相法通过氮化制备了钽氧氮和氮化钽粉体，并系统的研究了其相结构转变。特别是在氮化过程中发现亚稳相的gamma相TaON，使得氮化序列变为Ta2O5 → γ-TaON → β-TaON → Ta3N5。首次将这种亚稳相γ-TaON应用在光催化领域，研究发现具有gamma相的TaON光催化剂光催化制氢效率是普通TaON光催化制氢量子效率的47.5倍。通过紫外可见吸收光谱，透射电镜的衍射斑点以及第一性原理计算等探讨了其高活性的机制，发现这种高效的制氢效率主要归因于其gama相的电子结构及这种空心海胆状微观结构。以低温均相还原反应合成氮化钽的研究工作为基础，通过工艺改良，从微观结构设计入手，将氮化钽成功负载在空心球结构的钽氧氮颗粒上组成Ta3N5/TaON异质结结构，并研究不同比例Ta3N5/TaON异质结对光催化制氧性能的影响，优化其光催化性能。研究发现当Ta3N5负载量为4 %时，异质结粉体的光催化制氧效率最高，是未负载TaON粉体光催化制氧效率的3.3倍。通过阳离子交换的方法将CdS颗粒包覆在TaON颗粒表面形成CdS/TaON核壳型异质结结构，比较了不同方法合成的异质结材料以及不同比例CdS/TaON对其光催化性能的影响，优化其光催化性能。研究发现1 % CdS负载的CdS/TaON催化剂的制氢量子效率相对于原始TaON提升了68倍。采用氧化石墨烯（GO）对异质结进行修饰，通过GO 复合CdS/TaON核壳结构形成GO/CdS/TaON复合光催化剂，优化后的GO/CdS/TaON复合材料的制氢量子效率提升了141倍。