纳米钽酸盐光催化材料的可控制备、能带调控及性能研究

光催化制氢技术在解决未来能源短缺及减少温室气体排放方面具有很好的应用前景。钽酸盐往往具有较高的光催化活性，是一类具有较大潜力的光催化材料，目前，该类材料的制备方法还主要局限在高温固相法。本项目旨在采用熔盐和水热结合的新方法，在特定条件下制备形貌可控且具有优异性能的纳米钽酸盐光催化材料，探讨各种形貌的形成机理，为纳米钽酸盐的制备提供实验依据。通过调节钽酸盐不同结晶学位的元素来调控能带结构，从而提高其在可见光下的光催化活性。采用密度泛函理论研究催化材料的电子结构，探讨不同组成和形貌对光生电子-空穴对复合过程的抑制作用，深入研究纳米钽酸盐光催化材料的形貌、能带结构、表面性质与其光催化活性的关系，筛选出适合光催化反应的形貌和组成。寻找提高太阳能利用率的有效途径，为设计开发新型高效的光催化材料奠定理论和实验基础。

项目的指标已基本完成。针对目前钽酸盐光催化材料在光化学过程和合成方面存在的问题，我们开展了以下三个方面的研究：1. 在紫外光照射下的葡萄糖水溶液中实现了Bi纳米粒子在SrBi2Ta2O9 (SBT)片表面的原位生长，有趣的是生成Bi纳米粒子的[001]方向 //SBT基底的[110]方向，实现了Bi纳米粒子在基底SBT的外延生长。尽管在SBT基底上生成的Bi纳米粒子相互之间独立存在，但是整个基底上的Bi纳米粒子形成了一种介晶结构，系统研究表明在光照条件下，SBT (110)晶面上的Bi离子被光生电子所还原形成了Bi金属原子，其可作为成核位置使Bi纳米粒子沿着SBT的(003)面生长，进一步的生长就形成了这种特殊结构的介晶Bi超结构。该发现提出了一种通过直接光还原块体材料制备金属纳米粒子的简单且环境友好的方法。2. 钽酸盐的形貌控制是目前材料研究面临的一个重要挑战。在没有利用任何稳定剂的情况下，我们发展了一个创新性的合成方法实现了K1.9Na0.1Ta2O6•2H2O (KNTO)纳米八面体和纳米片的制备。制备材料在光催化分解甲醇溶液制氢方面表现出了较高的活性，这两种形貌的材料的性能直接与他们的暴露面相关，其中暴露{111}晶面的纳米八面体的活性比暴露{101}晶面的纳米片活性高出3倍，系统研究了表面原子结构和电子结构对KNTO光催化性能影响。该研究首次实现钽酸盐光催化材料晶面调控，将为理性设计和通过形貌控制优化光催化产氢催化剂提供新的研究思路。3. 利用两步合成方法（熔盐-水热法）在相对较低的温度下制备了NaTaO3光催化剂，该方法的基本理念是首先通过熔盐法将Ta2O5转变成一种可溶性的钽的前驱体，这种前驱体可以作为原料通过水热方法制备进一步NaTaO3，通过X射线衍射、场发射扫描电镜、紫外可见漫反射光谱、电感耦合等离子体发射光谱等对制备的样品进行了深入研究，光催化分解纯水制氢研究表明，通过该两步法制备的样品光催化性能比固相法制备的样品活性提高4倍多。总之，项目的目标已基本完成。