基于Ta2O5納米纖維原位構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合光催化劑用于光催化產(chǎn)氫.pdf

1、異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合半導(dǎo)體材料一般由具有不同能帶結(jié)構(gòu)的兩種或兩種以上半導(dǎo)體材料組成。它既能保留原單相材料的性能，又由于異質(zhì)界面而能表現(xiàn)出特殊的優(yōu)異性能，如增強(qiáng)的光學(xué)、電學(xué)或磁學(xué)性能等，在催化、生物醫(yī)藥、熱電器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。鉭基異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料由于具有載流子定向輸運(yùn)特性以及優(yōu)異的還原性，在光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域有潛在的重要應(yīng)用。然而，現(xiàn)有鉭基異質(zhì)結(jié)復(fù)合光催化劑多采用溶膠-凝膠或共沉淀法制備，往往存在較多的缺陷和較大的界面電阻，從而影響了異質(zhì)界

2、面間的電荷分離與傳輸。因此通過簡(jiǎn)單的方法可控合成具有優(yōu)異界面的鉭基異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍面臨著艱巨的挑戰(zhàn)。為此，本學(xué)位論文通過調(diào)控Ta2O5的刻蝕速率與異質(zhì)結(jié)構(gòu)第二相的生成速率發(fā)展鉭基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的原位外延生長(zhǎng)技術(shù)，構(gòu)筑了界面晶格匹配的NaTaO3/Ta2O5和Ta3O7F/Ta2O5異質(zhì)多孔納米纖維，測(cè)試了其光解水產(chǎn)氫性能并討論了影響因素。取得的主要研究結(jié)果如下：
　　（1）在溶劑熱條件下，通過改變反應(yīng)體系中NaOH濃度，可以有效調(diào)控Ta2O5

3、多孔納米纖維的刻蝕速度并控制在Ta2O5多孔納米纖維表面生長(zhǎng)NaTaO3納米方塊的速率，原位構(gòu)筑出界面缺陷少，界面電阻小的NaTaO3/Ta2O5異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維材料。詳細(xì)考察了反應(yīng)時(shí)間、溶劑種類以及溶液濃度對(duì)前驅(qū)體刻蝕和第二相成核生長(zhǎng)速率的影響，深入研究了該外延生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律與結(jié)構(gòu)控制機(jī)理。發(fā)現(xiàn)這種外延生長(zhǎng)型異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維相對(duì)于單相納米材料，不僅吸收光譜有明顯的紅移，而且光催化產(chǎn)氫活性明顯提高，且當(dāng)NaTaO3含

4、量為69％時(shí)光催化產(chǎn)氫活性達(dá)到最高活性（31.5μmol/h/0.02 g），是純Ta2O5的3倍，是NaTaO3納米纖維的10.5倍。這主要是歸功于在Ta2O5和NaTaO3之間形成了外延生長(zhǎng)型異質(zhì)結(jié)有利于光生載流子的界面電荷轉(zhuǎn)移，能有效抑制光生電子空穴對(duì)的再復(fù)合。
　?。?）以HF為刻蝕劑，Ta2O5多孔納米纖維為原料，在乙酸溶劑中原位構(gòu)筑了外延生長(zhǎng)型Ta3O7F/Ta2O5異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維材料。在這種刻蝕-生長(zhǎng)同步制備技

5、術(shù)中，形成外延生長(zhǎng)型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是選用乙酸控制反應(yīng)體系中HF的解離，從而控制HF對(duì)Ta2O5多孔納米纖維的刻蝕速率，和HTaF6的形成速率和水解生成Ta3O7F顆粒的成核生長(zhǎng)速率。這進(jìn)一步證實(shí)了刻蝕-生長(zhǎng)同步技術(shù)制備外延生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的關(guān)鍵是使前驅(qū)體的刻蝕速率與第二相的生長(zhǎng)速率相匹配，從而能使第二相物質(zhì)在前驅(qū)體表面異相成核并沿著晶格最匹配的方向外延生長(zhǎng)。相對(duì)于純相的Ta2O5多孔納米纖維，制得的Ta3O7F/Ta2O5異質(zhì)結(jié)構(gòu)多