(Ti,Ta)C涂层原位转化制备中空多孔Ta2O5/TiO2异质结及其光催化性能

In this study, homogeneous (Ti,Ta)C mixed carbides coatings with certain thicknesses on the surface of carbon black spheres or carbon fibers as the reactive carbon templates were prepared by in-situ carbothermal reaction of Ti , Ta and carbon templates in molten salts medium. Then, the removal of gaseous metal chloride from part of metal carbides and the formation of microporous structure in the mixed carbides layer were carried out by the controllable chlorination. And the composition of mixed carbides layer was also adjusted by the controllable chlorination. The influences of chlorination conditions on the chemical composition and pore structure were investigated. The chlorination reactivity of different metal carbides and the forming process of pore structure were illuminated. Finally, the in-situ transformation from porous (Ti,Ta)C coated carbon black or carbon fiber composites to hollow porous Ta2O5/TiO2 heterojuncted nanostructures was completed by the in-situ oxidization. The oxidation properties of different metal carbides and the evolution of structure and composition of heterojunction were studied. The photocatalytic activities of hollow porous Ta2O5/TiO2 heterojuncted catalysts were evaluated. The separation mechanism of photoinduced charges was analyzed by the characterization of optical properties and electrochemical properties of catalysts. The internal relationship between the pore structure, structure and chemical composition of heterojunction and photocatalytic activity was illustrated.

本项目拟以球状炭黑和碳纤维为反应性碳模板，通过金属Ti粉和Ta粉与碳模板在熔盐介质发生碳热反应，在碳模板表面原位生成均匀混合的具有一定厚度的(Ti,Ta)C二元金属碳化物涂层。然后，通过控制性氯化使部分金属碳化物发生氯化反应并以金属氯化物蒸汽的形式除去而留下微孔结构，同时调控了二元碳化物层的组成。研究氯化反应条件对二元碳化物层化学组成和孔结构的影响，揭示不同金属碳化物的氯化反应的难易程度及孔结构演变过程。随后，通过原位氧化反应将多孔(Ti,Ta)C涂层炭黑或碳纤维复合物原位转变为具有中空多孔Ta2O5/TiO2异质结纳米结构。研究不同金属碳化物的氧化反应性能，异质结结构和组成的渐次演变过程。对中空多孔Ta2O5/TiO2异质结进行光催化活性评价，并通过表征催化剂的光学性质和电化学性质，进一步分析光生电荷分离机制的差异。阐明异质结的多孔结构、异质结结构、化学组成与光催化活性之间的内在联系。

异相光催化研究领域的核心问题是催化反应活性位的数量和光生电荷分离效率问题。多孔结构可以显著提高催化剂的比表面积，增加表面反应活性位点的数量，同时提高对目标降解物分子的吸附能力；异质结结构可以通过内生电场的作用实现光生电荷的有效分离，提高量子效率。本项目设计将多孔结构和异质结结构集成于同一催化剂中，充分发挥两种结构的特点实现优势互补，从而达到提高光催化活性的目的。.项目以炭黑为反应性模板，高纯Ti和Ta粉为金属源，通过在熔融态的KCl-LiCl介质中反应制备了TaTiC2涂层炭黑复合材料，并研究了熔盐反应温度、熔盐反应时间、nC/nM和nTi/nTa对TaTiC2涂层的晶相组成、厚度和分布均匀性、显微结构与形貌的影响。结果表明，适宜的熔盐反应温度为1030 oC，熔盐反应时间为4 h，nC/nM为6:4，nTi/nTa为1:1条件下合成的碳化物涂层为单一TaTiC2晶相，涂层厚度适中，分布均匀致密，颗粒尺寸较小，能保持炭黑模板的球形形貌。.项目以TaTiC2涂层炭黑复合材料作为前驱体，研究了氧化温度、熔盐反应温度、nC/nM和nTi/nTa对Ta2O5/TiO2异质结光催化剂的晶相组成、孔结构及光催化性能的影响。通过XPS、DRS和能带结构的理论计算提出了可能的光生电子-空穴分离机制。.项目以固相反应法合成的几种典型金属碳化物为对象进行了氯化反应行为的研究。结果表明，金属碳化物的氯化反应发生需要一定的高温，氯化反应温度不应低于600 oC；金属碳化物的氯化反应非常剧烈，难以控制；通过氯化反应脱除金属碳化物中的金属元素可以形成具有多孔结构的衍生碳材料；金属碳化物的类型会影响相应衍生碳的孔结构及孔径分布。.项目研究所取得的成果为开发新型高效光催化材料提供了值得借鉴的思路。