一种具有优异可见光吸收性能的非化学计量钼氧化物材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及非化学计量氧化物材料技术领域。更具体地，涉及一种具有优异可见光吸收性能的非化学计量钼氧化物材料及其制备方法和应用。

背景技术：

在当今社会飞速发展下，由于人口数量的急剧增加导致的污染问题和能源匮乏问题日趋严重，治理环境污染和开发新能源已经成为我们可持续发展战略下所面临的重大研究课题。利用太阳能解决环境和能源两大难题是较佳的选择，自1972年fujishima和honda教授报道在n型tio2电极上发现水的光电催化分解产生氢气和氧气以来，研究材料对可见光的吸收和利用已经成为热点课题。通过光解水制氢，可以有效的将低密度的太阳能转换为高密度的化学能，氢能具有燃烧值高、燃烧产物无污染等特点而被公认为是最理想的替代能源；而另一方面，在生活和工业生产中会产生大量的有机污染物，主要包括染料、苯、氯苯化合物、脂族醇、芳香族化合物、聚合物以及羰酸等，都可以通过光催化技术将其分解为co2和h2o。

半导体光催化有着独特的优势：首先，反应过程中利用绿色环保的太阳能作为反应的前提条件，这样一方面在自然环境下进行反应能够有效地降低能耗，节约资源，并且不会在反应过程中引入新的杂质。另一方面对于反应本身来说，操作简单，适用范围广，对环境不存在二次污染；其次光催化剂本身无毒害、对环境无污染、稳定性好并且可以循环利用，极大的提高了资源再利用效率。

然而，传统的半导体光催化材料tio2的带隙较宽，光吸收范围被限制在太阳光的紫外部分，但紫外光只占地表太阳光能量的5％左右，导致太阳能的利用效率较低，这也就阻碍了人类对太阳能的实际利用。因此，怎样提高太阳能的利用率，拓展光催化材料的光吸收范围到可见光区是当前研究的关键科学问题。

因此，本发明提供了一种非化学计量钼氧化物材料及其制备方法和应用。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种具有优异可见光吸收性能的非化学计量钼氧化物材料。

本发明的另一个目的在于提供一种具有优异可见光吸收性能的非化学计量钼氧化物材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种具有优异可见光吸收性能的非化学计量钼氧化物材料的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有优异可见光吸收性能的非化学计量钼氧化物材料，所述钼氧化物材料能吸收波长范围为300～750nm的可见光，所述钼氧化物材料为包含相含量为70～92wt.％的mo4o11相和其它相的材料，所述其它相为moo3相、mo9o26相或moo2相。本发明制备得到的钼氧化物材料中mo4o11相含量较高，对可见光波段有较强光吸收，是非常好的活性光电材料，可应用在光催化降解污染物、钙钛矿太阳能电池以及肿瘤治疗等多个领域。

根据本发明的优选实施方式，所述钼氧化物材料为包含相含量为70～89wt.％的mo4o11相和相含量为11～30wt.％的moo3相的材料；优选地，所述钼氧化物材料为包含相含量为75～85wt.％的mo4o11相和相含量为15～25wt.％的moo3相的材料；更优选地，所述钼氧化物材料为包含相含量为80～85wt.％的mo4o11相和相含量为15～20wt.％的moo3相的材料。

根据本发明的优选实施方式，所述钼氧化物材料为包含相含量为79～90wt.％的mo4o11相和相含量为10～21wt.％的mo9o26相的材料；优选地，所述钼氧化物材料为包含相含量为79～84wt.％的mo4o11相和相含量为16～21wt.％的mo9o26相的材料；更优选地，所述钼氧化物材料为包含相含量为85～90wt.％的mo4o11相和相含量为10～15wt.％的mo9o26相的材料。

根据本发明的优选实施方式，所述钼氧化物材料为包含相含量为70～92wt.％的mo4o11相和相含量为8～30wt.％的moo2相的材料；优选地，所述钼氧化物材料为包含相含量为70～90wt.％的mo4o11相和相含量为10～30wt.％的moo2相的材料；更优选地，所述钼氧化物材料为包含相含量为75～90wt.％的mo4o11相和相含量为10～25wt.％的moo2相的材料；进一步地，所述钼氧化物材料为包含相含量为75～85wt.％的mo4o11相和相含量为15～25wt.％的moo2相的材料。

根据本发明的优选实施方式，所述钼氧化物材料包含相含量为92wt.％的mo4o11相和相含量为8wt.％的moo2相。

本发明中首次成功合成了非化学计量的钼氧化物材料，在该材料中mo4o11相的含量高达92wt.％，mo4o11作为非计量比氧化物，表面具有丰富氧空位，吸附能力强且化学性质稳定。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有优异可见光吸收性能的非化学计量钼氧化物材料的制备方法，所述钼氧化物材料由钼酸铵粉末在氢氩混合气氛中热解还原制得。

根据本发明的优选实施方式，所述钼酸铵粉末放入氧化铝瓷舟中进行热解还原反应。本发明发现，采用氧化铝瓷舟盛放钼酸铵粉末能够更好的促进还原。

根据本发明的优选实施方式，所述氢氩混合气氛为由5vol.％h2气和95vol.％ar气组成的混合气氛。本发明发现，采用氢氩混合气氛热解还原能够更容易得到mo4o11相。

根据本发明的优选实施方式，所述热解还原反应温度为580～650℃，在所述热解还原反应温度下保温2～4h；进一步地，所述热解还原反应温度为650℃时，在所述热解还原反应温度下保温2～3h；更优选地，所述热解还原反应温度为600℃，在所述热解还原反应温度下保温2h，本发明发现在更优选的反应温度和保温时间下，得到的钼氧化物材料对可见光吸收能力强。

本发明采用钼酸铵粉末直接热解还原制备得到钼氧化物材料，方法简单且得到的钼氧化物材料中mo4o11相的含量较高。且本发明通过大量实验发现，热解还原过程中的热解还原温度、保温时间都会对钼氧化物材料中mo4o11相的含量造成影响，因此通过进一步对上述参数进行限定制备得到理想mo4o11相含量的钼氧化物材料。

根据本发明的优选实施方式，一种具有优异可见光吸收性能的非化学计量钼氧化物材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将钼酸铵粉末溶于去离子水中，搅拌均匀得钼酸铵溶液；

2)用酸调节钼酸铵溶液的ph值为0.5～3.5；

3)将步骤2)所得溶液进行水热反应，待反应结束后取出产物；

4)将步骤3)得到的产物用水和乙醇洗涤后干燥得到moo3前驱体；

5)将步骤4)得到的moo3前驱体在氢氩混合气氛中还原得到钼氧化物材料。

根据本发明的优选实施方式，步骤1)中所述钼酸铵与去离子水的质量比为0.5～2.5：40～50。

根据本发明的优选实施方式，步骤2)中所述酸为稀硝酸、稀盐酸或稀硫酸。本发明发现，采用酸调节ph值能够更好的生成moo3。

优选地，步骤3)中水热反应的温度为170～190℃，水热反应的时间为16～32h；更优选地，步骤3)中水热反应的温度为180～185℃，水热反应的时间为20～24h；进一步地，步骤3)中水热反应的温度为180℃，水热反应的时间为24h。本发明发现，水热法反应条件温和，不仅降低成本，而且能够生成高纯度的moo3，从而得到纯度较高的mo4o11。

优选地，步骤4)中所述水洗涤的次数为三次，乙醇洗涤的次数为一次。本发明发现，采用本发明的步骤能得到纯净的moo3，洗涤顺序和洗涤次数均对moo3的纯度造成影响。

优选地，步骤4)中所述干燥温度为60～90℃，干燥时间为2～4h；更优选地，步骤4)中所述干燥温度为60～65℃，干燥时间为2～4h；进一步地，步骤4)中所述干燥温度为60℃，干燥时间为2h。本发明发现，干燥的温度和时间影响产品的微观形貌。

优选地，步骤5)中所述氢氩混合气氛为由5vol.％h2气和95vol.％ar气组成的混合气氛。本发明发现，采用氢氩混合气氛还原能够得到纯度较高的mo4o11，且本发明技术人员在研究过程中发现，氢气和氩气的比例影响最终产品mo4o11的含量，5vol.％h2气和95vol.％ar气进行还原得到的产物最优。

优选地，步骤5)中所述还原反应温度为580～650℃，在所述还原反应温度下保温2～4h；进一步地，步骤5)中所述还原反应温度为650℃时，在所述还原反应温度下保温2～3h；更优选地，所述还原反应温度为600℃，在所述还原反应温度下保温2h，本发明发现在优选反应温度和保温时间下，得到的钼氧化物中mo4o11相的含量为92％，且对可见光吸收能力强。

本发明采用水热反应制备moo3前驱体，纯度高，因此还原后制备出的mo4o11含量较高，而且通过控制还原过程中的还原温度、在还原反应温度下保温时间及气体流量，进一步调控制备得到的钼氧化物材料中mo4o11的含量。

为达到上述第三个目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有优异可见光吸收性能的非化学计量钼氧化物材料作为光电材料可应用于光催化降解污染物、钙钛矿太阳能电池以及肿瘤治疗等领域。

本发明发现mo4o11作为非化学计量比的氧化物，表面具有丰富氧空位，吸附能力强且化学性质稳定。包含适宜mo4o11相含量范围的钼氧化物材料对可见光波段有较强的光吸收，是非常好的活性光电材料。

本发明中非化学计量钼氧化物材料对可见光有较强的光吸收，其中mo4o11相含量对可见光的吸收影响较大。因此，如何得到对可见光吸收强、且mo4o11相含量较高而杂质相含量较少的钼氧化物材料，是本发明克服的首要技术问题。为了克服上述技术问题，本发明采用钼酸铵直接热解还原，或钼酸铵水热反应制备moo3前驱体后再进行还原的方法，通过进一步对工艺条件的限定，如钼酸铵加入量、水热反应温度和时间、还原温度和保温时间及氢氩混合气体流量等的严格控制，在经过一系列精密而大量的调变后，成功制备得到包含两种相，且其中一相为对可见光吸收较高的理想含量范围的mo4o11相的钼氧化物材料。即本发明的技术方案为一个统一的整体，每个技术特征都不是线性独立的，不同技术特征之间会互相影响，因此本发明最终技术效果的实现，必须依赖于所有技术特征有机集成的一个不可拆分的整体，而不是若干技术特征的简单加和。

另外，如无特殊说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过选择钼酸铵为原料直接热解还原或者合成moo3前驱体后再进行还原，并进一步通过对工艺条件的限定，从而成功制备得到较高mo4o11含量的钼氧化物材料。

(2)本发明制备的钼氧化物材料比moo3具有改善的可见光吸光度，可实现对可见光的吸收和利用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例1制备得到的钼氧化物材料的扫描电镜图。

图2示出本发明实施例1、2、5和对比例3制备得到的钼氧化物材料的xrd谱图。

图3示出本发明实施例1、5和对比例3制备得到的钼氧化物材料的吸收光谱图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

一种非化学计量钼氧化物材料的制备，包括如下步骤：

1)取0.35mmol的钼酸铵溶于50ml去离子水中，搅拌均匀，得钼酸铵溶液；

2)用稀盐酸调节钼酸铵溶液的ph为1.5；

3)将所得溶液进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为24h；

4)待反应结束后取出产物，并用水和乙醇洗涤，然后干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为2h，得到moo3；

5)moo3在氢氩混合气氛中(5vol.％h2气+95vol.％ar气)，600℃下还原并保温2h，得到钼氧化物材料。

制备得到的钼氧化物材料的扫描电镜图如图1所示。

制备得到的钼氧化物材料的xrd谱图如图2所示。从图2中可知，该复合材料中含有mo4o11相和moo2相，相含量分别为92wt.％和8wt.％。

制备得到的钼氧化物材料的吸收光谱图如图3所示。从图3中可知，本实施例中的复合材料在300～750nm可见光波长范围内，吸光度好。

实施例2

一种非化学计量钼氧化物材料的制备，包括如下步骤：

1)将钼酸铵粉末放入氧化铝瓷舟中；

2)在氢氩混合气氛中(5vol.％h2气+95vol.％ar气)，580℃下热解还原并保温2h，得到钼氧化物材料。

制备得到的钼氧化物材料的xrd谱图如图2所示。从图2中可知，该复合材料中含有mo4o11相和moo3相，相含量分别为70wt.％和30wt.％。

实施例3～9

一种非化学计量钼氧化物材料的制备，方法步骤同实施例2，不同之处在于：步骤2)中热解还原温度和在该热解还原反应温度下的保温时间分别为580℃、3h，580℃、4h，600℃、2h，600℃、3h，600℃、4h，650℃、2h，650℃、3h。

采用该方法，在不同热解还原温度和保温时间条件下，制备得到的钼氧化物材料为含有70～89wt.％的mo4o11相和11～30wt.％的moo3相的钼氧化物材料、或含79～90wt.％的mo4o11和10～21wt.％的mo9o26相的钼氧化物材料、或含70～92wt.％的mo4o11相和8～30wt.％的moo2相的钼氧化物材料。在保温时间不变时，随着热解还原温度增加，其mo4o11的含量先增加后减少；保持热解还原温度不变，随着保温时间的增加，其mo4o11的含量先增加后减少。

如图2所示，当热解还原温度和保温时间为600℃、2h时(即实施例5)，制备得到钼氧化物材料含有84.8wt.％的mo4o11相和15.2wt.％的moo2。

对比例1

一种非化学计量钼氧化物材料的制备，方法步骤同实施例2，不同之处在于：步骤2)中热解还原温度和该温度下的保温时间为650℃、4h。

最终制备得到的钼氧化物材料中不包含mo4o11相，仅包含moo2相。

实施例10～16

一种非化学计量钼氧化物材料的制备，方法步骤同实施例1，不同之处在于：步骤5)中还原温度和在该还原反应温度下的保温时间分别为580℃、2h，580℃、3h，580℃、4h，600℃、3h，600℃、4h，650℃、2h，650℃、3h。

采用该方法，在不同还原温度和保温时间条件下，制备得到钼氧化物材料为含有70～89wt.％的mo4o11相和11～30wt.％的moo3相的钼氧化物材料、或含79～90wt.％的mo4o11和10～21wt.％的mo9o26相的钼氧化物材料、或含70～92wt.％的mo4o11相和8～30wt.％的moo2相的钼氧化物材料。在还原反应温度下保温时间不变时，随着还原温度增加，其mo4o11的含量先增加后减少；保持还原温度不变，随着保温时间的增加，其mo4o11的含量先增加后减少。

对比例2

一种非化学计量钼氧化物材料的制备，方法步骤同实施例1，不同之处在于：步骤5)中还原温度和在该还原反应温度下的保温时间依次为650℃、4h。

最终制备得到的钼氧化物材料中不包含mo4o11相，仅包含moo2相。

对比例3

一种非化学计量钼氧化物材料的制备，采用文献enhancedelectrocatalyticperformanceformethanoloxidationwithamagnéliphasemolybdenumoxide/pt-blackcomposite，journalofmolecularcatalysisa:chemical400(2015)7–13中记载的方法，包括如下步骤：

1)将钼酸铵粉末放入氧化铝瓷舟中；

2)在空气中加热分解，分解温度为600℃，保温5h，升温速率为5℃/min，反应结束后冷却至室温，得到moo3前驱体；

3)取适量moo3前驱体在氢氩混合气氛中(5vol.％h2气+95vol.％ar气)，600℃下还原并保温4h，得到钼氧化物材料相含量为39wt.％mo4o11、26wt.％moo3和35wt.％mo9o26。

然后对得到的钼氧化物进行吸光度的测试，测试得到的吸光度结果明显低于本专利制备出的钼氧化物对可见光的吸收，如附图3所示。

该对比例与本发明实施例7和实施例14相比，都是moo3前驱体600℃下还原并保温4h得到钼氧化物材料，但是对比方法采用的是钼酸铵粉末在空气中加热分解得到moo3前驱体，然后在氢氩混合气氛中还原得到钼氧化物材料，而本发明实施例7直接采用钼酸铵粉末在氢氩混合气氛中进行热解还原即得到钼氧化物材料，实施例14采用钼酸铵水热反应制备moo3前驱体，然后在氢氩混合气氛中进行还原得到钼氧化物材料。

与本发明实施例7相比，对比方法不仅步骤繁琐，而且得到的钼氧化物中杂质较多，出现了三种相，其中mo4o11的含量低，且钼氧化物对可见光的吸光度低。而本发明的方法不仅简单易行，且得到的钼氧化物中仅有两种相，其中mo4o11的含量高达70wt.％，且钼氧化物对可见光的吸光度高。

与本发明实施例14相比，对比方法制备moo3所需温度高，增加了生产成本，且最终的钼氧化物材料出现了三种相，其中mo4o11的含量低，且钼氧化物对可见光的吸光度低。而本发明采用的水热方法反应条件温和，温度较低，最终的钼氧化物材料仅有两种相，其中mo4o11的含量高达76wt.％，且钼氧化物对可见光的吸光度高。

对比例4

一种非化学计量钼氧化物材料的制备，采用文献enhancedelectrocatalyticperformanceformethanoloxidationwithamagnéliphasemolybdenumoxide/pt-blackcomposite，journalofmolecularcatalysisa:chemical400(2015)7–13中记载的方法，包括如下步骤：

1)将钼酸铵粉末放入氧化铝瓷舟中；

2)在空气中加热分解，分解温度为650℃，保温5h，升温速率为5℃/min，反应结束后冷却至室温，得到moo3前驱体；

3)取适量moo3前驱体在氢氩混合气氛中(5vol.％h2气+95vol.％ar气)，600℃下还原并保温4h，得到钼氧化物材料相含量为92wt.％mo4o11相和8wt.％moo2相。

与本发明实施例1相比，采用上述方法得到的钼氧化物中mo4o11的含量虽然也为92％，但是对比方法中制备moo3所需温度过高，能耗较高，而且还原所需的保温时间长达4h，最终得到的颗粒尺寸也比较大，因此该方法不仅耗费能量和氢氩混合气体，而且增加了生产成本，不利于大规模工业生产。

而采用本发明实施例1中的水热法反应条件温和，且moo3前驱体所需还原反应时间短，减少了能量和原料的浪费，进一步降低生产成本，有利于大规模的工业化生产。

且结合对比例3和对比例4可知，采用文献中方法制备得到的钼氧化物材料，改变还原温度和保温时间，会导致最终材料出现三种相，而采用本发明中的两种方法，即便改变还原温度和保温时间，最终得到的材料也仅有两种相，其中mo4o11相的含量高。

结论：本发明中非化学计量钼氧化物材料对可见光有较强的吸收，其中mo4o11相含量对可见光的吸收影响较大。本发明采用钼酸铵直接热解还原，或钼酸铵水热反应制备moo3前驱体后再进行还原的方法，并且对于工艺条件进一步限定，在制备方法和操作参数的相互配合、协同作用下，得到对可见光吸收较高的理想mo4o11相含量范围的钼氧化物材料。本发明制备的钼氧化物材料相比moo3具有更高的可见光吸光度，实现了对可见光的吸收和利用。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。