一种光催化复合材料及其制备方法和应用

本发明属于光催化剂材料制备，具体涉及一种光催化复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，随着化石能源的大量使用，环境污染和能源危机问题已经严重危害人类的生存环境。因此，寻求生产可再生能源和清洁能源成为科学研究的热点。在众多的清洁能源中，氢能由于其高能量密度和无污染的特点成为了最有希望代替化石能源的能源之一。利用自然界中无尽的太阳能进行水分解产生清洁的氢气被认为是最有希望高效制备氢能源的策略之一。自1972年，fujishima和honda等人发现了tio2可以进行光电分解水制氢，越来越多的研究人员开始将目光转向了开发高效稳定的半导体光催化剂，比如c3n4、cds、zno、bivo4和ta3n5等。

2、通过光催化技术制备氢能的主要过程是依靠光解水这一反应实现的。具体来说，具有光响应的半导体在光的激发下，半导体的价带上产生光生电子-空穴对，电子跃迁到半导体的导带，同时价带产生空穴，产生的电子和空穴迁移至半导体的表面与吸附在半导体表面的物质发生氧化还原反应。目前，光催化剂的研究主要集中于光催化分解水、降解污染物和二氧化碳还原等方面。具有合适带隙的高效、稳定的光催化剂可以有效的提升光催化化学反应界面处的反应速率以及转换效率。在2002年，首次报道的半导体材料ta3n5被发现具有适合于h还原和h2o氧化电势电位，并利用该材料从含有牺牲试剂的水溶液中单独光催化产生了h2和o2。由于ta3n5简单的化学组成和2.1ev的窄带隙，ta3n5被认为是最有希望实现高效光解水制氢的半导体光催化剂潜在候选者。

3、然而，尽管已有很多工作致力于ta3n5基光催化剂的研究并已经取得了一定的进展，但是关于ta3n5基光催化剂的合理设计和制备仍然存在以下几个问题亟待解决：其一，直接氮化法制备得到的ta3n5光催化剂体相缺陷比较多，光生电子和空穴很难分离和迁移到催化剂的表面参与反应，反应效率很低；其二，大部分研究的ta3n5基光催化剂的稳载流子分离效率低下，电子-空穴对在迁移过程中存在严重的复合情况；其三，制备的ta3n5基光催化剂的活性位点较少，表界面反应动力学迟缓，导致性能较差，限制了太阳能的转换效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种zno纳米颗粒层负载介孔ta3n5纳米纤维的核壳结构的光催化复合材料。

2、本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

3、一种光催化复合材料，所述光催化复合材料为zno纳米颗粒层负载介孔ta3n5纳米纤维的核壳结构。

4、在上述的一种光催化复合材料中，介孔ta3n5纳米纤维直径为50nm-200nm。

5、在上述的一种光催化复合材料中，zno纳米颗粒层厚度为20nm-60nm。

6、本发明还提供了一种光催化复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

7、s1、将聚乙烯吡咯烷酮加入至醇溶剂中溶解，然后加入冰醋酸和乙氧基钽均匀搅拌得前驱体溶液；

8、s2、将前驱体溶液经静电纺丝得纳米纤维布前驱体；

9、s3、纳米纤维布前驱体经煅烧得介孔结构的ta2o5纳米纤维；

10、s4、将介孔结构的ta2o5纳米纤维置于氧化铝瓷舟中，并将氧化铝瓷舟放置于管式炉中，然后进行高温氮化处理得到介孔结构的ta3n5纳米纤维；

11、s5、将介孔结构的ta3n5纳米纤维置于纳米金属罩内，并将金属罩放置于双腔原子层沉积系统机器的沉积腔内，并进行抽真空处理，将zno颗粒沉积于介孔结构的ta3n5纳米纤维表面形成zno壳层得光催化复合材料。

12、作为优选，步骤s1中聚乙烯吡咯烷酮和冰醋酸、乙氧基钽的质量比为1：(3.5-4.5)：(2-2.5)。

13、作为优选，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为1300000。

14、作为优选，静电纺丝工艺具体为：将得到的前驱体溶液转移至体积为10ml的注射器，并将注射器金属针头与静电纺丝机的正极向连接，同时将静电纺丝机的负极与金属接收板相连，通过静电纺丝机操作程序进行推注速度的设置,调整针头到接收板的工作距离为20cm，将设置静电纺丝机的正负高压后启动电源开关，开始静电纺丝过程，每隔1h停止纺丝过程，将接收板上的纳米纤维布揭下并转移至表面皿中进行储存，更换接收板后重新开始静电纺丝过程。

15、在上述的一种光催化复合材料的制备方法中，步骤s2静电纺丝过程中推注速度设置为0.03-0.08mm/min，正负高压设置为10-15kv和2-5kv。

16、在上述的一种光催化复合材料的制备方法中，步骤s3煅烧具体为：以5-10℃/min的升温速率达到600-800℃的煅烧温度后保温4-8h。

17、在本发明中，静电纺丝法制备介孔结构的ta3n5纳米纤维，纤维的直径尺寸的大小严格受到推注速度和正负电压值的影响。同时，制备的纳米纤维表面的孔径大小和分布严格受煅烧移除模板时升温速率和温度的影响。

18、在上述的一种光催化复合材料的制备方法中，步骤s4高温氮化处理具体为：在流量为100-500sccm的氨气气氛下，以5-10℃/min的升温速率达到700-900℃进行6-12小时的高温氮化处理。

19、在本发明中，煅烧移除前驱体中的聚合物需要彻底，否则容易在复合材料中留下杂质相，在氮化时若氨气浓度不足或氮化温度不足容易生成taon相，均造成最终催化剂性能下降。

20、在上述的一种光催化复合材料的制备方法中，步骤s5沉积温度为100-150℃。

21、在上述的一种光催化复合材料的制备方法中，沉积次数为100-300次。

22、在介孔结构的ta3n5纳米纤维表面沉积zno纳米颗粒时，设置的沉积温度和沉积次数对生成核壳结构的复合材料的形貌和催化活性有着很大的影响。

23、本发明还提供了一种上述光催化复合材料在催化产氢中的应用。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、1.本发明通过静电纺丝法构建了纳米纤维结构的前驱体材料，再经过移除聚合物和高温氮化过程获得了介孔结构的ta3n5纳米纤维材料，减少了ta3n5的体相缺陷，缩短了光生电荷从体相向表面的传输距离，抑制了光生载流子的严重复合。

26、2.本发明制得的zno纳米颗粒负载的介孔ta3n5纳米纤维核壳结构复合材料在zno纳米颗粒层和ta3n5纳米纤维的两相界面处构建了具有紧密接触的异质结，促进了光生电子-空穴对的分离和传输效率，有效的抑制了载流子的复合，同时zno纳米颗粒表面提供的丰富的活性位点，加快了表面析氢反应的动力学速率，可以大幅度提升其光催化活性。

27、3.本发明zno纳米颗粒负载的介孔ta3n5纳米纤维核壳结构复合材料耦合了纳米结构工程和异质结策略，构建了具有良好界面接触的核壳结构的复合材料，极大地提升了ta3n5的光催化水分解的催化活性，制备的核壳结构复合材料有望成为理想的半导体光催化剂候选材料。