晶化介孔钽酸盐设计合成、功能修饰及光催化活性研究

本项目利用内蒙古自治区丰富的钽矿资源，探索并获得合成具有大比表面积、高效光转换活性的钙钛矿型晶化介孔钽酸盐的原理和方法。通过合成路径的选择与设计得到晶化介孔钽酸盐，利用过渡金属及非金属掺杂加工其能带结构，调控钽酸盐的光激发响应范围，加快光生电荷的产生和分离速度，达到提高光量子效率的目的。利用各种先进的表征手段研究晶化介孔钽酸盐的比表面积、微观和能带结构、催化剂界面间电子转移规律、表面活性位点、催化剂缺陷态和光生电荷的分离等信息，解释并阐明比表面积、微结构调变等因素对分解水及其他污染物降解活性的影响。本项目的实施有望获得新型高效光催化剂，并为钽资源在光解水制备氢和环境净化等方面的综合利用提供理论依据和技术保障。

钙钛矿型碱土金属基钽酸盐具有优异的光化学和光物理稳定性，广泛应用于光解水制氢、光催化降解有机污染物等领域。但其较大的禁带宽度大大降低了可见光的利用率。本项目利用内蒙古自治区丰富的钽矿资源，通过离子掺杂、负载等手段，获得离子掺杂对晶体结构、能带加工的一般规律，进而得到大比表面积、高光转换活性、可见光响应的介孔钽酸盐光催化剂。结果表明：以TaCl5为原料获得具有介孔结构的短程有序型NaxTaOy光催化剂，发现短程有序结构会引入大量缺陷态，造成NaxTaOy带隙窄化，并产生可见光响应和优异的光催化活性；以Eu3+高分辨荧光光谱为探针，获得三价金属离子在非整比NaTaO3中的选择性掺杂规律，发现在三价离子共掺杂取代Na位和Ta位时具有最优的可见光分解水及降解有机污染物活性；以Cu2O负载NaTaO3获得NaTaO3/Cu2O光催化剂，发现Cu2O负载使无规则NaTaO3纳米颗粒重组成1-2μm的立方体，当Cu负载量为0.25 wt%时NaTaO3/Cu2O具有最优的光催化活性；以TaCl5为原料、SiO2球为模板获得中空结构的TaOxNy纳米颗粒，通过调控N/O摩尔比调控TaOxNy中缺陷态种类及浓度优化其催化性能，发现当N/O为0.14时TaOxNy对对硝基苯酚还原的表观反应速率可达5.9×10-2 min-1。. 本项目的实施开发出一系列用于光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物的宽光谱响应范围的钽酸盐光催化材料，其各项性能均有明显提升，为钽资源在光催化材料和环境净化方面的综合利用提供可能。因此本项目的实施无论在理论研究还是潜在应用方面都有重要意义。