阅读说明：本技术 一种绣花球状Ta3N5/MoS2异质结光催化材料及其制备方法 (Embroidered spherical Ta3N5/MoS2Heterojunction photocatalytic material and preparation method thereof ) 是由 裴浪 元勇军 钟家松 于 2019-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种绣花球状Ta_3N_5/MoS_2异质结光催化材料及其制备方法。呈现出绣花球状,Ta_3N_5纳米棒被均匀的包裹在二维MoS_2层间,且Ta_3N_5与MoS_2之间形成紧密接触的异质结；MoS_2与Ta_3N_5的比例为0.2～1mmol:40mg。本发明将前驱体溶液过夜搅拌操作使得最终制备得到的Ta_3N_5/MoS_2异质结构呈绣花球状。相比于原始的Ta_3N_5,本发明中最优配比的Ta_3N_5/MoS_2异质结光催化剂其光催化产氢速率提高了22倍左右。(The invention discloses an embroidered spherical Ta 3 N 5 /MoS 2 A heterojunction photocatalytic material and a preparation method thereof. Exhibit an embroidered spherical shape, Ta 3 N 5 The nano-rods are uniformly wrapped in the two-dimensional MoS 2 between layers and Ta 3 N 5 And MoS 2 a heterojunction in close contact with the substrate; MoS 2 And Ta 3 N 5 The ratio of (B) to (C) is 0.2-1 mmol:40 mg. The invention leads the precursor solution to be stirred overnight so as to finally prepare the obtained Ta 3 N 5 /MoS 2 The heterostructure is in an embroidered spherical shape. Compared to the original Ta 3 N 5 In the present inventionTa of optimum composition 3 N 5 /MoS 2 The photocatalytic hydrogen production rate of the heterojunction photocatalyst is improved by about 22 times.)

一种绣花球状Ta3N5/MoS2异质结光催化材料及其制备方法

技术领域

本发明属于无机非金属能量转换材料中光催化材料领域，具体涉及绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料及其制备方法。

背景技术

能源是文明永恒的主题，氢能作为一种高效的清洁可再生能源，被视为本世纪最具潜力的新能源之一。利用半导体光催化剂分解水制取氢气是一种集太阳能俘获、转换及存储于一体的绿色技术，被称为是无机光化学研究领域的圣杯。以Pt为代表的贵金属是目前最为优异的析氢催化材料，但其昂贵的价格和十分有限的储量，严重限制了其在大规模工业中的应用。因此，开发储量丰富的、廉价的高活性光催化剂，以用于高效光催化分解水制氢，是太阳能-氢能转换领域内一个重要的研究课题。

新型氧氮化物、氮化物与相应氧化物相比具有更窄的带隙以及增强的导电性，近年来在光催化分解水研究当中备受青睐。特别是氮化钽(Ta₃N₅)，具有理想的带隙值(2.1eV)以及合适的带边位置，其理论STH转换效率可达15.9％，是目前国际太阳能光电催化制氢领域主攻体系之一。自2003年开始，在全球范围内，Ta₃N₅作为光电化学分解水电池的光阳极材料逐渐成为研究热点。然而，尽管Ta₃N₅具有全解水的潜力，但其光催化产氢活性非常低。究其原因，Ta₃N₅不足的光生电荷分离能力严重制约其产氢活性的进一步提升。因此，强化Ta₃N₅光生电荷分离是推动其在光催化领域应用的关键。对于一个有效的光催化体系，除了用于吸收光能产生电子空穴对的半导体作为主体光催化剂以外，在催化剂表面负载助催化剂常常是必不可少的。通常，助催化剂可以作为电子或空穴的捕获点来加速主体光催化剂中电子空穴对的分离。同时，合适的助催化剂有时还可以作为催化反应活性位点降低氧化或还原反应中的过电势，提高光催化反应速率。二维MoS₂是目前研究较多的一类非贵金属助催化剂，研究表明，二维MoS₂可作为析氢助催化剂，提供合适的析氢活性位点，降低析氢反应势垒。另外，作为一种重要的二维类石墨烯半导体材料，二维MoS₂纳米片比表面积大，带隙可调，吸附性能好，可与多种半导体(CdS、TiO₂、p-Si、g-C₃N₄等)构建异质结构，从而有利于光生电子空穴对分离。因此，综合上述考虑，通过二维MoS₂与Ta₃N₅的导向组装与合理优化，发明一种Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料的制备方法，极有可能实现强化Ta₃N₅光生电荷分离并提高其光催化产氢活性的目的。

发明内容

本发明的一个目的在于克服Ta₃N₅光生电荷分离不足的缺点，提供一种具有高电荷分离效率、高产氢活性与稳定性的Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料。

一种绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料，呈现出绣花球状，Ta₃N₅纳米棒被均匀的包裹在二维MoS₂层间，且Ta₃N₅与MoS₂之间形成紧密接触的异质结；MoS₂与Ta₃N₅的比例为0.2～1mmol:40mg。

通过以下方法制备得到：

步骤(1)、以钼酸钠为钼源，以硫脲为硫源，溶解于去离子水中，充分搅拌至完全溶解后，再加入一定量的Ta₃N₅纳米棒粉末，得到前驱体溶液。所用的钼酸钠与硫脲的摩尔比为1：2～4。钼酸钠与Ta₃N₅的加入量比例为0.2～1mmol:40mg。

步骤(2)、将上述前驱体溶液在室温下搅拌12～24小时。

步骤(3)、将上述混合均匀的前驱体溶液置于水热釜的聚四氟乙烯内胆中，密封后在温度为180～220℃下，反应20～24h后得到灰褐色悬浮液，用去离子水、乙醇分别离心、清洗产物数次后烘干得到绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料。

本发明具有以下创新点：

本发明中绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结构能够有效地捕获太阳光、提供高的比表面积以及暴露丰富的活性位点。

本发明中由能带结构相匹配的Ta₃N₅与MoS₂构建的异质结光催化剂可以有效地加速光生电荷从Ta₃N₅转移至MoS₂，从而降低光生电荷在Ta₃N₅体相内的复合。得益于 MoS₂三维结构的包覆作用，本发明中Ta₃N₅光催化剂在反应体系中表现出良好的稳定性。本发明将前驱体溶液过夜搅拌操作使得最终制备得到的Ta₃N₅/MoS₂异质结构呈绣花球状。

在甲醇作为空穴牺牲剂的条件下，相比于原始的Ta₃N₅，本发明中最优配比的Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化剂其光催化产氢速率提高了22倍左右。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料扫描电镜图。

图2是本发明实施例1制备的绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料的透射电镜图。

图3是本发明实施例1制备的绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料的紫外漫反射光谱图。

图4是本发明实施例1制备的绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料在可见光下产氢性能效率图。

图5是本发明实施例1制备的绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料的稳态荧光光谱图。

图6是本发明对比例1制备的Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围不限于此：

对比例1：

(1)准确称取1mmol钼酸钠以及4mmol硫脲，然后溶解于去离子水中，充分搅拌至完全溶解后，再加入0.04g Ta₃N₅纳米棒粉末。

(2)为了作为对比，将上述混合均匀的前驱体溶液不经过长时间搅拌，直接置于水热釜的聚四氟乙烯内胆中，密封后在温度为220℃下反应20h后得到最终悬浮液，用去离子水、乙醇分别离心、清洗产物数次后烘干得到Ta₃N₅/MoS₂材料。

从图6中可以看出对比例未经过长时间搅拌所制备的Ta₃N₅/MoS₂材料并未呈现出绣花球状，Ta₃N₅纳米棒与二维MoS₂呈自由分散状态，从而暗示Ta₃N₅纳米棒与二维MoS₂之间并没有形成良好的异质结接触。

实施例1：

(1)准确称取1mmol钼酸钠以及4mmol硫脲，然后溶解于去离子水中，充分搅拌至完全溶解后，再加入0.04g Ta₃N₅纳米棒粉末。

(2)将上述前驱体溶液在室温下搅拌12小时。

(3)将上述混合均匀的前驱体溶液置于水热釜的聚四氟乙烯内胆中，密封后在温度为220℃下反应20h后得到灰褐色悬浮液，用去离子水、乙醇分别离心、清洗产物数次后烘干得到绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料。

从图1中可以看出制备的Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料呈现出绣花球状，Ta₃N₅纳米棒被均匀的包裹在二维MoS₂层间中。从图2中可以看出制备的Ta₃N₅/MoS₂复合材料中Ta₃N₅与MoS₂紧密接触，这有助于光生载流子的有效分离和转移。从图3中可以看出制备的Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料在600-800nm波长范围内的光吸收明显增强。从图4中可以看出，相比于原始的Ta₃N₅，制备的Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料其光催化产氢速率提高了22倍左右。从图5中可以看出，相比于原始的Ta₃N₅，制备的 Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料其在600nm左右的荧光峰强度明显降低，说明MoS₂的包覆能有效降低光生载流子在Ta₃N₅体相内的复合。

实施例2：

(1)准确称取1mmol钼酸钠以及2mmol硫脲，然后溶解于去离子水中，充分搅拌至完全溶解后，再加入0.04g Ta₃N₅纳米棒粉末。

(2)将上述前驱体溶液在室温下搅拌24小时。

(3)将上述混合均匀的前驱体溶液置于水热釜的聚四氟乙烯内胆中，密封后在温度为220℃下反应20h后得到灰褐色悬浮液，用去离子水、乙醇分别离心、清洗产物数次后烘干得到绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料。

实施例3：

(1)准确称取0.5mmol钼酸钠以及2mmol硫脲，然后溶解于去离子水中，充分搅拌至完全溶解后，再加入0.04g Ta₃N₅纳米棒粉末。

(2)将上述前驱体溶液在室温下搅拌12小时。

(3)将上述混合均匀的前驱体溶液置于水热釜的聚四氟乙烯内胆中，密封后在温度为200℃下反应20h后得到灰褐色悬浮液，用去离子水、乙醇分别离心、清洗产物数次后烘干得到绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料。

实施例4：

(1)准确称取0.2mmol钼酸钠以及0.8mmol硫脲，然后溶解于去离子水中，充分搅拌至完全溶解后，再加入0.04g Ta₃N₅纳米棒粉末。

(2)将上述前驱体溶液在室温下搅拌12小时。

(3)将上述混合均匀的前驱体溶液置于水热釜的聚四氟乙烯内胆中，密封后在温度为180℃下反应20h后得到灰褐色悬浮液，用去离子水、乙醇分别离心、清洗产物数次后烘干得到绣花球状Ta₃N₅/MoS₂异质结光催化材料。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。