一种钽氧氯微米立方晶体光催化剂及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于光催化制氢技术领域，具体涉及一种钽氧氯微米立方晶体光催化剂及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]半导体光催化制氢是利用半导体的光电效应，通过太阳光激发电子和空穴来分解水制取氢气。钽基氧化物半导体的导带为Ta5d轨道，具有更负的导带位置，在光催化还原H+上具有显著的优势。《今日催化》杂志(Catalysis today，1996年，28卷，175页)报道了Ta2O5在紫外光照射下具有分解水的能力。然而由于钽基前驱体通常具有较快的水解速率，很难实现钽氧化物的成核与生长速率的控制，导致获得的钽氧化物多为无定形或者多晶结构，结晶度较差，影响了光催化反应中催化剂内部光生载流子的迀移与传输。
[0003]近年来，为了进一步提高此类材料的结晶度，国内外科研工作者针对这一现象围绕着Ta2O5结构调控开展了相关的研宄工作。《道尔顿会志》(Dalton Transact1ns，2012年，41期，622页)报道了以Ta2O5粉末为原料，通过氢氟酸和氨水刻蚀，在水热条件下制备了沿[010]方向生长的Ta2O5单晶纳米线，表现出了增强的光催化产氢性能。《化学通讯》杂志(Chemical Communicat1ns，2012年，48期，7301页)通过控制氢氟酸与双氧水刻蚀Ta粉生成的中间产物H2TaO7的水解速率在一定程度上调控了 Ta2O5的成核与生长速率，获得了由Ta2O5单晶纳米棒组成的分级结构，相比于商用的Ta2O5表现出具有更高的制氢活性。但是目前获得的具有单晶性质的钽氧化物，往往在合成中需引入强腐蚀性的HF酸，必然会导致产物中缺陷的存在；而且所制备的产物均为一维纳米结构，具有相同的曝露晶面。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种钽氧氯微米立方晶体光催化剂及其制备方法，其吸光能力强、电荷迀移效率高、光催化产氢能力强，且制备方法简单，反应温和，重复性好，能广泛应用于前驱体水解较快的金属氧化物的单晶结构的制备。
[0005]为达到上述目的，采用技术方案如下:
[0006]一种钽氧氯微米立方晶体光催化剂，由含有Ta5+的钽盐在HCl-羧酸混合体系中水解、过滤并干燥得到；其由钽、氧和氯三种元素组成，分子式为Ta0(5_x)/2Clx(X = 0.51?
0.81);具有单晶性质，曝露晶面为{100};为立方块形貌，尺寸0.2-3.0 μ m。
[0007]按上述方案，所述含有Ta5+的钽盐为有机钽盐和无机钽盐，无机钽盐为五氯化钽，有机钽盐为乙醇钽。
[0008]按上述方案，所述HCl与羧酸的摩尔比为1: (1.4?5.6)。
[0009]按上述方案，所述羧酸为小分子直链羧酸冰醋酸或丙酸。
[0010]按上述方案，所述水解反应条件为100-240 °C反应3_18h。
[0011]上述钽氧氯微米立方晶体光催化剂的制备方法，包括以下步骤:
[0012]I)将含有Ta5+的钽盐溶解到浓盐酸与羧酸的混合溶液中，其中HCl与羧酸的摩尔比为 1: (1.4 ?5.6)；
[0013]2)将溶有钽盐的混合溶液在100_240°C温度下水解反应3_18小时；
[0014]3)自然冷却，过滤收集沉淀物，干燥得到钽氧氯微米立方晶体。
[0015]按上述方案，所述含有Ta5+的钽盐为有机钽盐和无机钽盐，无机钽盐为五氯化钽，有机钽盐为乙醇钽。
[0016]按上述方案，所述羧酸为小分子直链羧酸冰醋酸或丙酸。
[0017]上述钽氧氯微米立方晶体光催化剂在光催化产氢领域的应用。
[0018]本发明有益效果在于:
[0019]本发明针提供的钽氧氯微米立方晶体，构建强酸-弱酸混合体系，精细控制溶液的酸度，从而控制Ta5+离子的水解速率，建立晶体生长的准平衡环境，获得钽氧氯立方晶体。
[0020]该制备方法简单，反应温和，重复性好，可广泛应用于前驱体水解较快的金属氧化物的单晶结构的制备。
[0021]该微米立方晶体具有高结晶度，强吸光能力和快的电荷迀移效率，具有较强的光催化产氢能力，在太阳能的利用与光化学转换领域有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0022]图1:本发明实施例1合成的钽氧氯微米立方晶体的场发射扫描电镜图；
[0023]图2:本发明实施例1合成的钽氧氯微米立方晶体的电子衍射图像；
[0024]图3:本发明实施例1合成的钽氧氯微米立方晶体的粉末X射线衍射图谱；
[0025]图4:本发明实施例1合成的钽氧氯微米立方晶体的X射线光电子能谱；
[0026]图5:本发明实施例1合成的钽氧氯微米立方晶体与对比样品的紫外-可见漫反射光谱；
[0027]图6:本发明实施例1合成的钽氧氯微米立方晶体与对比样品的阻抗谱；
[0028]图7:本发明实施例1合成的钽氧氯微米立方晶体与对比样品的光催化产氢性會K ;
[0029]图8:本发明实施例2合成的钽氧氯微米立方晶体的场发射扫描电镜和X射线能谱图；
[0030]图9:本发明实施例3合成的钽氧氯微米立方晶体的场发射扫描电镜和X射线能谱图；
[0031]图10:本发明实施例4合成的钽氧氯微米立方晶体的场发射扫描电镜和X射线能谱图；
[0032]图11:本发明实施例5合成的钽氧氯微米立方晶体的场发射扫描电镜和X射线能谱图；
[0033]图12:本发明实施例6合成的钽氧氯微米立方晶体的场发射扫描电镜和X射线能谱图；
[0034]图13:本发明实施例7合成的钽氧氯微米立方晶体的场发射扫描电镜和X射线能谱图；
[0035]图14:本发明实施例8合成的钽氧氯微米立方晶体的场发射扫描电镜和X射线能谱图。
【具体实施方式】
[0036]以下实施例进一步阐释本发明技术方案的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
[0037]实施例1
[0038]将0.6mmol TaCl5溶解到15ml质量分数为38%的浓盐酸中至溶液澄清。将30ml冰醋酸加入到上述溶液中，搅拌至气泡消失；将混合溶液(HCl与羧酸的摩尔比为1:2.82)转入50ml反应釜中；将反应釜在200°C温度下加热10小时，然后自然冷却，收集沉淀物，在干燥器中常温干燥，得到一种钽氧氯微米立方晶体。
[0039]参照附图1-6所示，由图1中本实施例产物的场发射扫描电镜图像可知，所得的产物为0.2-1.5 μπι的微米立方块；图2电子衍射图谱汇中阵列状的斑点说明该微米立方块具有单晶性质；图3粉末X射线衍射图谱与图4 X射线光电子