多孔Ta2O5的微結(jié)構(gòu)調(diào)控及其光催化產(chǎn)氫性能.pdf

1、氫能由于具有高效、清潔和方便儲存等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的綠色能源。而光催化制氫技術(shù)由于可以利用太陽光劈裂水產(chǎn)氫，被認(rèn)為是一種可持續(xù)發(fā)展的制氫技術(shù)。Ta2O5不僅具有較高的光化學(xué)穩(wěn)定性和較強(qiáng)的光激發(fā)電子還原能力，而且其獨(dú)特的共頂角八面體(TaO6）結(jié)構(gòu)還有利于光催化過程中光生電子與空穴的遷移，在光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。對 Ta2O5的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，制備具有較高結(jié)晶度或較小粒子尺寸的介孔材料不僅可以提高催化劑的比表面積，增加了

2、光催化反應(yīng)的反應(yīng)活性位，同時(shí)窄的孔壁可以減小電子輸運(yùn)時(shí)間；提高材料的結(jié)晶度可以減少材料的缺陷，減小了光生載流子的復(fù)合，從而提高催化劑光催化產(chǎn)氫效率。本論文針對 Ta2O5高結(jié)晶溫度往往導(dǎo)致介孔結(jié)構(gòu)在結(jié)晶過程中會被破壞，很難實(shí)現(xiàn)多孔性質(zhì)與高結(jié)晶度的兼顧的問題，致力于介孔 Ta2O5微結(jié)構(gòu)的控制，分別通過在鉭氧化物的準(zhǔn)平衡生長過程中引入附著 Ta2O5晶種的二氧化硅球模板的方法制備了介孔單晶結(jié)構(gòu) Ta2O5微米立方塊和在乙醇酸鉭的水解過程中

3、引入 Cu(NO3)2電解質(zhì)的方法減小了水解產(chǎn)物的粒子尺寸，隨后煅燒獲得了罐狀多孔Cu-Ta2O5的納米球。本研究結(jié)果有效地改善了介孔 Ta2O5的結(jié)晶度，增大了催化劑的比表面積，減少體相缺陷，有利于光生載流子的分離與傳輸，從而實(shí)現(xiàn)光催化產(chǎn)氫性能的提高。具體研究內(nèi)容如下：
　　1.采用多步法，在由粒徑均勻的二氧化硅球組裝的模板中引入 Ta2O5晶種制備晶種模板；通過改變?nèi)芤旱乃岫瓤刂?TaCl5的水解速率，使產(chǎn)物在晶種模板內(nèi)部生長

4、，最后刻蝕除去二氧化硅球模板得到孔徑尺寸可調(diào)的介孔單晶結(jié)構(gòu)Ta2O5微米立方塊。通過對有無晶種模板、晶種模板的結(jié)晶程度和晶種模板引入方式的研究，系統(tǒng)闡明了介孔單晶結(jié)構(gòu) Ta2O5的形成機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，通過選擇不同粒徑及混合粒徑的二氧化硅球模板，獲得了具有不同孔性的單一孔徑的介孔和等級孔單晶結(jié)構(gòu)Ta2O5微米立方塊。通過模擬太陽光產(chǎn)氫測試發(fā)現(xiàn)，等級孔晶結(jié)構(gòu)的Ta2O5表現(xiàn)出最優(yōu)的光催化產(chǎn)氫性能。
　　2.通過在含有Cu(NO3)2

5、的丙酮-乙二醇溶液中控制乙醇酸鉭的水解隨后煅燒制備了罐狀多孔Cu-Ta2O5納米球。研究發(fā)現(xiàn)，水解過程中Cu(NO3)2電解質(zhì)的引入不僅可以增加水解產(chǎn)物膠體粒子的表面電荷和分散性，而且由于Cu2+與乙二醇的絡(luò)合作用影響了Cu-Ta2O5前驅(qū)體粒子的熱處理，使其在高溫分解時(shí)放出大量的氣體和熱量，形成罐狀結(jié)構(gòu)。另一方面，Cu2+摻雜不僅改善產(chǎn)物的光吸收性質(zhì)，而且可以抑制光生載流子的復(fù)合，從而提高光催化產(chǎn)氫性能。通過對不同銅含量的 Cu-Ta