多维混晶钽基氮氧化物可见光光催化性能与晶相间协同机制研究

Development and utilization of solar energy is a major issue which is facing the world today, and photocatalysis using solar energy has attracted an enormous amount of research interest. The tantalum-based oxynitride is a potential photocatalyst exhibiting strong absorption in the visible region. However, due to the current technology constraints, the quantum efficiency of single phase tantalum oxynitride is low. In this project, the multidimensional multiphase tantalum oxynitride will be synthesized by wet-chemical route in addition with solid state synthesis. The enhanced photocatalytic properties of multiphase material would be ascribed to the combined effect of the light absorption and electronic structures on the tunable photocatalytic and synergy mechanism of the tantalum-based oxynitride will be systematically investigated by the optical spectrum and electrochemical method. Furthermore, the high quantum efficiency and efficient charge cattier separation of catalysts could be achieved from the modification of band gap by doping and the design of the interfaces with proper structures. The photocatalysts will be then produced photoanode device for the further research. Through the above study, the high efficiency multidimensional multiphase tantalum oxynitride with visible light response would be prepared.

太阳能的研究和利用是当今世界所面临的重大课题，利用太阳能进行光催化一直是人们研究的热点。钽基氮氧化物在可见光区呈现较强吸收，是一种有潜力的可见光光催化材料，但是由于其制备技术等方面的限制，单一相的钽基氮氧化物量子效率仍然很低。本项目拟通过液相化学与高温固相合成方法，制备出多维gamma-beta混晶钽基氮氧化物，并通过控制前驱体与反应气氛实现混晶比例的精确控制，利用混晶在光吸收与能带电位两方面的协同机制获得良好可见光光催化效果的混晶光催化材料。结合光学光谱分析以及电化学分析方法对其混晶机制进行研究。在此基础之上，进一步对混晶光催化粉体进行掺杂与异质结构筑，以期对其能带进行精确调控，进而制备出具有合理能带区间的半导体复合材料，并利用异质结电势差实现电荷的分离，大幅度提高量子效率。最后制备成光电极器件对其应用进行更深一步探索。通过上述研究实现高效率混晶多维钽基氮氧化物可见光光催化材料的研制。

半导体光催化的研究是近年来国内外最活跃的研究领域之一，光催化纳米材料通过吸收太阳光，能直接分解制氢及降解有机污染物，无二次污染，所以纳米半导体光催化剂的深入研究对于解决能源及环境污染问题有着重大的意义。太阳光中紫外光能量仅占4 %，而可见光占到43 %，然而，很多光催化材料（例如TiO2）仅对紫外光有响应。由于N 2p轨道能级比O 2p轨道能级低，钽基金属氮（氧）化物在可见区呈现较强吸收，是一种有潜力的可见光光催化材料。本文以其为研究对象，系统的研究了上述因素对钽基金属氮（氧）化物光催化性能的影响。主要包括以下部分：.（1） 通过水热法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。.（2） 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。.（3） 利用电泳沉积的方法制备了不同相结构的TaON光电极，通过不同沉积时间优化了光电极的光催化性能。在可见光照射下，1 V vs SCE条件下，发现γ-TaON光电极的光生电流最高，光电极光电流强度大小的顺序为γ-TaON > γ/β-TaON > β-TaON > c-TaON。