多孔Ta2O5的微結構調控及其光催化產氫性能.pdf

1、氫能由于具有高效、清潔和方便儲存等優(yōu)點，被認為是一種理想的綠色能源。而光催化制氫技術由于可以利用太陽光劈裂水產氫，被認為是一種可持續(xù)發(fā)展的制氫技術。Ta2O5不僅具有較高的光化學穩(wěn)定性和較強的光激發(fā)電子還原能力，而且其獨特的共頂角八面體(TaO6）結構還有利于光催化過程中光生電子與空穴的遷移，在光催化產氫領域具有較好的應用前景。對 Ta2O5的微結構進行控制，制備具有較高結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、光催化反應的反應活性位，同時窄的孔壁可以減小電子輸運時間；提高材料的結晶度可以減少材料的缺陷，減小了光生載流子的復合，從而提高催化劑光催化產氫效率。本論文針對 Ta2O5高結晶溫度往往導致介孔結構在結晶過程中會被破壞，很難實現多孔性質與高結晶度的兼顧的問題，致力于介孔 Ta2O5微結構的控制，分別通過在鉭氧化物的準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構 Ta2O5微米立方塊和在乙醇酸鉭的水解過程中

3、引入 Cu(NO3)2電解質的方法減小了水解產物的粒子尺寸，隨后煅燒獲得了罐狀多孔Cu-Ta2O5的納米球。本研究結果有效地改善了介孔 Ta2O5的結晶度，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，從而實現光催化產氫性能的提高。具體研究內容如下：
　　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；通過改變溶液的酸度控制 TaCl5的水解速率，使產物在晶種模板內部生長

4、，最后刻蝕除去二氧化硅球模板得到孔徑尺寸可調的介孔單晶結構Ta2O5微米立方塊。通過對有無晶種模板、晶種模板的結晶程度和晶種模板引入方式的研究，系統(tǒng)闡明了介孔單晶結構 Ta2O5的形成機理；在此基礎上，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構Ta2O5微米立方塊。通過模擬太陽光產氫測試發(fā)現，等級孔晶結構的Ta2O5表現出最優(yōu)的光催化產氫性能。
　　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，水解過程中Cu(NO3)2電解質的引入不僅可以增加水解產物膠體粒子的表面電荷和分散性，而且由于Cu2+與乙二醇的絡合作用影響了Cu-Ta2O5前驅體粒子的熱處理，使其在高溫分解時放出大量的氣體和熱量，形成罐狀結構。另一方面，Cu2+摻雜不僅改善產物的光吸收性質，而且可以抑制光生載流子的復合，從而提高光催化產氫性能。通過對不同銅含量的 Cu-Ta