[发明专利]一种Ta3N5/CdS异质结纤维光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于包含金属的催化剂制备领域，具体涉及一种Ta₃N₅/CdS异质结纤维光催化剂及其制备方法。

背景技术

光催化技术是一种在环境、能源等领域有着重要应用前景的绿色技术。目前，推动光催化技术发展的核心是研究开发出高效、稳定、易回收的可见光光催化剂。但是，目前光催化技术发展主要面临以下难题，第一，研究得最多、公认高效的光催化剂是TiO₂，但只能被紫外光驱动，对太阳能的利用率低；第二，光生电子和空穴对的快速复合，严重抑制了半导体光催化活性；第三，半导体光催化剂难回收再利用，易造成二次污染。因此，开发可见光响应、稳定高效、易回收且可循环利用的光催化材料是光催化技术走向应用的关键。

Ta₃N₅是一种窄能带隙的半导体(2.1eV)，可以利用波长达600nm的太阳光，主要应用于废水处理、空气净化及光催化产氢等领域，引起了科学工作者的广泛关注。目前，科研工作者已经开发出纳米尺寸的Ta₃N₅(纳米颗粒、花状超分子结构、空心球等)光催化剂，但是纳米尺寸的Ta₃N₅面临两大核心问题，其一，是Ta₃N₅禁带宽度为2.1eV，属于窄禁带半导体材料，光生电子和空穴复合几率较高，导致材料的量子产率低，严重制约了其光催化活性。其二，由于纳米尺寸催化剂不易回收，影响了其循环使用等，甚至造成二次污染。这些因素严重阻碍了催化剂的实际应用。因此，如何提高Ta₃N₅的光催化效率和可回收性成为当前环境光催化领域研究的重要课题之一。

目前，半导体复合是提高半导体材料光催化活性一种非常简单、有效的手段。主要是将两种导带和价带位置不同的半导体材料组成异质结，这样可以使光生载流子在不同能级的半导体间转移、延长载流子的寿命，减少了载流子的复合，提高光生电子和空穴的利用率，进而明显提高材料的光催化活性。

中国专利申请“一种静电纺丝制备BiTaO₄纳米纤维光催化剂的方法”(申请号：201410229902.2，公布号：CN 104028261 A)，公开了的制备方法中，先 分别以简单的Ta₂O₅和和Bi(NO₃)₃作为坦源和钝源，然后以柠檬酸、乙二醇和PVP作为络合剂得到纺丝液，最后进行高压静电纺丝得到初始PVP BiTaO₄纤维，再在900摄氏度的马弗炉中煅烧得到最终的BiTaO₄纳米纤维。该方法还存在以下缺陷：首先，BiTaO₄也是一种单一组分的可见光光催化剂，可以利用波长最大为420nm的可见光，由于其带隙窄，光生电子和空穴复合严重，导致光催化活性不理想。为了充分利用太阳能，开发可以利用长波长可见光催化剂成为研究热点。Ta₃N₅可以吸收利用波长长达600nm的可见光，能够更大限度的利用太阳光，但是其单纯Ta₃N₅纤维面临光生电子和空穴复合严重问题，因此，构筑Ta₃N₅异质结纤维来促进其光生电子和空穴的分离，实现其催化活性的提高，成为了必然趋势。

CdS作为一种优良的可见光催化剂，得到了广泛关注。根据固体能带理论，CdS带隙为2.4eV，易被可见光激发，同时与Ta₃N₅的能级可以很好的匹配。Ta₃N₅价带电势低于CdS的价带电势，同时，Ta₃N₅导带的电势要比CdS的低，因此，在可见光(λ>400nm)的照射下，Ta₃N₅和CdS被激发，形成光生电子(e^-)和空穴(h⁺)，其中，CdS导带中的光生电子(e^-)流入Ta₃N₅导带中，Ta₃N₅价带中的光生空穴(h⁺)跃迁到CdS价带中，直到两者的费米能级接近为止。该载流子的流动过程提高光生电子和空穴的寿命，从而提高体系的光催化活性。