[发明专利]一种氮氧锆铈固溶体及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种新材料氮氧锆铈及其制备方法和应用。本发明首先采用水热法合成中间体锗酸铈和锗酸锆，然后通过高温气相还原法得到最终产物为亚化学计量比的纳米尺寸氮氧锆铈Ce_0.3Zr_0.7O_1.88N_0.12。该方法操作简便，工艺设备简单，原料易得，制备成本较低，反应周期短，可重复性高。这种材料应用在光催化产氢反应中表现出优异的产氢性能，且同时可以作为Z体系产氢端材料实现可见光分解纯水。这种新型固溶体材料氮氧锆铈在环境科学以及太阳能转换领域有着非常重要的用途。

技术领域

本发明属于一种具有亚化学计量比的氮氧锆铈Ce_0.3Zr_0.7O_1.88N_0.12纳米材料，其由5～30纳米小颗粒团聚成球形大颗粒，在光催化产氢方面具备优异性能，在其他能源开发和环境保护领域也具备潜在应用性能。

背景技术

寻找合适的半导体材料作为稳定高效且可见光响应的光催化剂成为研究的热点。普遍来说，目前所研究的光催化剂都含有d⁰电子构型(例如：Ti⁴⁺,Nb⁵⁺和Ta⁵⁺)或者d¹⁰电子构型(例如：In³⁺,Ga³⁺和Ge⁴⁺)的过渡金属离子。这些含有d⁰或d¹⁰金属离子的金属氧化物的价带顶部通常是由O的2p轨道所组成，因此这些金属氧化物具有较宽的禁带宽度以至于在可见光下不具备光催化性能。因为N的2p态与O的2p态相比更呈电阳性，所以这些氧化物光催化剂的价带顶部可以通过引入N元素而得到提高。因此，人们研究了许多氮氧化物作为可见光响应的光催化剂，例如：TaON,BaTaO₂N,SrNbO₂N,TiO₂N,等等。然而这些氮氧化物比较不稳定，可能是由于引入N元素的同时引起了大量本体和表面缺陷的出现，从而导致较为缓慢的电荷分离效率和快速的电荷附和效率。然而也有这样的报道：本体缺陷可以作为光生电子空穴的附和中心，然而表面和亚表面的氧缺陷可以作为光催化反应的反应活性位或者有利于电荷分离。另外，这些表面缺陷可以作为光生电子空穴的捕获中心，从而起到促进电子转移和抑制电荷附和的作用。需要注意的是，这些材料表面缺陷的浓度在理论上可以通过调节材料的几何和电子结构而得到调整。然而，通过调节表面缺陷的浓度从而使氮氧化物作为稳定高效的光催化剂依然是一个挑战。

本发明中我们设计了一种具有合适表面缺陷浓度的新型Ce_0.3Zr_0.7O_1.88N_0.12固溶体材料作为稳定高效且可见光响应的产氢光催化剂。而且，把这种材料作为产氢端来构造Z体系，可以实现可见光分解纯水。结合结构表征和理论计算结果，我们把Ce_0.3Zr_0.7O_1.88N_0.12固溶体材料具有出色的光催化活性和稳定性归因于表面和亚表面氧空穴提高了光生载流子的分离率。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种纳米氮氧锆铈及其制备方法和应用，制备方法简单，成本低。所制备的纳米材料具有优异的光催化产氢性能。合成过程中不需要复杂的仪器、操作简单，有利于大规模的生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种氮氧锆铈固溶体，所述固溶体的分子式为Ce_0.3Zr_0.7O_1.88N_0.12，尺寸为5～30纳米，小纳米颗粒团聚成球形大颗粒、晶形为立方相。

一种氮氧锆铈固溶体的制备方法，包括如下步骤：