鉭基多孔納米纖維的設(shè)計、調(diào)控及光催化制氫性能.pdf

1、利用太陽能光催化分解水制氫技術(shù)因其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，已成為未來解決能源與環(huán)境問題的理想途徑之一。Ta2O5及多數(shù)鉭酸鹽具有較高的導(dǎo)帶位置，其光生電子具有較強的還原能力，因而在高效光解水制氫方面有重要應(yīng)用潛力。但其較寬的帶隙限制它們只能吸收紫外光，大大影響其產(chǎn)氫效率。催化劑的帶隙、晶粒尺寸、比表面積等是影響光催化制氫活性的重要因素，本課題以氧化鉭(Ta2O5)、氮化鉭(Ta3N5)和鉭酸鉍(BiTaO4)納米纖維為研究對象，對其結(jié)構(gòu)、組成進(jìn)

2、行控制，考察了其在甲醇水溶液中的光催化制氫活性并討論其影響因素。具體研究內(nèi)容如下：
　　 (1)采用靜電紡絲法結(jié)合退火工藝，以PVP為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，通過改變升溫速率制備了具有不同結(jié)構(gòu)特征的Ta2O5納米纖維，并測試比較了它們的光催化制氫性能。發(fā)現(xiàn)隨退火工藝中升溫速率的增加，樣品的晶粒尺寸減小，介孔性和比表面積出現(xiàn)最大值。這主要是由有機物分解行為和無機物的結(jié)晶反應(yīng)共同導(dǎo)致。隨著升溫速率的增加，纖維內(nèi)形成較多Ta2O5晶核；同時，纖維

3、迅速達(dá)到PVP的分解和Ta2O5的結(jié)晶溫度，表面的Ta2O5迅速結(jié)晶成型，PVP的斷鏈分解帶動纖維以結(jié)晶部分為骨架定向收縮并分解揮發(fā)，從而在纖維內(nèi)部留下孔洞形成介孔纖維結(jié)構(gòu)。然而升溫速率過快，PVP的劇烈燃燒揮發(fā)和Ta2O5的迅速結(jié)晶一定程度上阻礙了顆粒間的連結(jié)成型，造成孔洞坍塌形成粒子堆積使纖維比表面積減小。光催化制氫活性顯示，樣品的光催化產(chǎn)氫速率隨比表面積的增大而增加，但不僅僅取決于比表面積，還與晶粒尺寸密切相關(guān)。
　　 (

4、2)采用程序升溫氨解法制備出了氮化鉭納米纖維，研究了Ta2O5納米纖維前驅(qū)物的結(jié)構(gòu)、組成和氮化時間等對氮化過程的影響。發(fā)現(xiàn)在相同的氮化方式下，無定形態(tài)的Ta2O5比晶態(tài)的Ta2O5更容易被氮化，且得到的氮化產(chǎn)物晶粒尺寸較小，纖維表面較光滑；但后者更容易得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、具有明顯多孔結(jié)構(gòu)的氮化產(chǎn)物。無定形態(tài)多孔Ta2O5納米纖維在700℃氨解2 h即可產(chǎn)生氮化鉭。隨著氮化時間的延長和氮化溫度的提高，產(chǎn)物的氮化程度提高，光吸收帶邊紅移程度增大。

5、以晶態(tài)Ta2O5納米纖維為前驅(qū)體在800℃氮化4 h得到的產(chǎn)物具有最高的產(chǎn)氫速率，這可歸因于其具有良好的結(jié)晶性和多孔結(jié)構(gòu)，能較強的吸收可見光。
　　 (3)發(fā)展了一種制備多元金屬氧化物納米纖維的簡便方法，采用靜電紡絲法制備了BiTaO4多孔納米纖維。研究了退火溫度對BiTaO4納米纖維的晶型、吸光性質(zhì)和可見光催化制氫性能的影響。結(jié)果表明，采用靜電紡絲法可在較低的退火溫度下得到BiTaO4多孔納米纖維，其大約在700℃發(fā)生從正交晶