[发明专利]一种纳米钽酸镉光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氢能制备领域的氢能光催化洁净制备技术，特别涉及一种钽酸镉光催化剂的制备方法。

背景技术

当前随着科技和工业化进程的加速所带来的常规能源供应不足、液体燃料短缺、化石能源利用造成的严重污染等问题日益突出，促使人们不得不寻找新的洁净替代能源。可再生能源转化利用的基础理论研究，发展高效低成本的可再生能源优质转化与规模化利用技术，已成为目前我国能源科技领域最为紧迫的任务。我国拥有极为丰富的可再生能源资源，开发潜力巨大。然而由于多数可再生能源能量密度低，分散性强，不稳定、不连续，随时间、季节以及气候而变化等因素严重制约着高效低成本大规模可再生能源的开发和利用。

太阳能是取之不尽、用之不竭的一次性能源，是通过绿色植物和光合微生物的光合作用，将太阳能转化为化学能的。在寻找替代新能源领域，把太阳能转化为可储存的电能、化学能是人们最感兴趣的研究课题。氢是一种易于储存、运输和可再生的清洁能源，太阳能分解水制氢是利用太阳能的最好的方法之一。通过光电过程利用太阳能分解水的途径有：(1)光电化学法：通过光半导体材料吸收光能产生电子-空穴对，分别在两电极电解水；(2)均相光助络合法：利用金属配合物组成的氧化还原体系吸收光分解水；(3)半导体光催化法：其中以半导体光催化分解水制氢的方法最经济、清洁、实用，不失为一种有前途的方法。

光解水制氢原理是：半导体光催化剂在能量等于或大于其禁带宽度的光辐射时，电子从最高电子占据分子轨道(价带)受激跃迁至最低电子未占据分子轨道(即导带)，从而在价带留下了光生空穴，导带中引入了光生电子，光生空穴和光生电子分别具有氧化和还原能力。要实现太阳能光解水制氢和氧，光生电子的还原能力必须能还原H₂O产生H₂，而光生空穴的氧化能力必须能氧化H₂O产生O₂，即半导体光催化剂的导带底要在H₂O/H₂电位(E0＝0V，pH＝0)的上面(导带位置越高，电位越负，还原能力越强)；而价带顶在O₂/H₂O电位(ENHE＝+1.23V，pH＝0)的下面(价带位置越低，电位越正，氧化能力越强)。

实现太阳能光催化分解水的关键是寻找具有合适带隙的高活性高稳定性光催化剂。目前国际上研究最多的是过渡金属复合氧化物催化剂，主要集中于以Ti⁴⁺，Ta⁵⁺和Nb⁵⁺为核心的碱金属和碱土金属钛酸盐、钽酸盐和铌酸盐半导体材料，例如CaTiO₃、SrTiO₃、A₂TiO₁₃(A＝Na、K、Rb)、Sr₂Nb₂O₇、ATaO₃(A＝Na、K)、MTa₂O₆(M＝Ca、Sr、Ba)以及Sr₂Ta₂O₇等均先后被报导。该类催化剂的结构特点是由TaO₆、NbO₆、TiO₆八面体以共棱或共角等形式构成了层板，而碱金属离子、碱土金属离子等穿插在层间形成钙钛矿型和类钙钛矿型结构。其中钽酸盐因为较高的Ta5d轨道使该类催化剂活性相对较高，研究更为广泛。烧绿石结构的化合物也有少量报导，Ca₂Ta₂O₇和A₂Ta₂O₆(A＝Na，K)等均表现出一定的光催化活性。但是，这些催化剂存在的共同的缺点就是带隙比较宽，都在4.0eV以上，这就决定了材料的光吸收区间位于300nm以下，大大降低了光吸收效率。

目前氧化物半导体光催化剂的制备主要有以下两种方法：

1、固相反应法制备：该方法是选用相应的金属碳酸盐或金属氧化物按一定的化学计量比混合，经研磨、混合，采用高温电炉在较长时间、较高温度下煅烧而成。其优点是操作简单，成本较低，制备的样品性能优良，机械强度高，并具有良好的活性和抗中毒能力。但以此方法制得的产品粒径和均匀性较差，且易引入杂质，煅烧过程中温度过高容易造成催化剂的烧结和团聚，从而降低催化性能。