[发明专利]一种Z型异质结构氮化钨-三氧化钨复合材料及制备方法和应用

说明书

本发明公开一种Z型异质结构氮化钨‑三氧化钨复合材料及制备方法和应用。本发明的复合材料包括表面部分氧化的三氧化钨层和内部氮化钨纳米棒。本发明通过原位转化的方法设计合成了氮化钨‑三氧化钨复合材料，在氮化钨表面将其部分氧化为三氧化钨以达到构建Z型异质结构的目的。本发明提出了一种简便且普适的制备方法，使氮化钨能够破除自身光生电子和空穴易于复合的限制，对太阳光中紫外‑可见光部分实现了更好的利用。

技术领域

本发明涉及半导体纳米材料技术领域，更加具体地说，特别是涉及一种Z型异质结构氮化钨-三氧化钨复合材料及制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着能源危机的爆发,开发新能源是现今社会亟需解决的问题。太阳光驱动二氧化碳转化为碳氢化合物燃料对于缓解当今社会面临的能源短缺和环境污染问题有着非常重要的研究意义和应用价值。由于光热转换效率高，光热法成为二氧化碳氢化的一种有效途径。然而，传统光-热转换中太阳光的紫外-可见光部分尚未完全利用，不仅反应条件较为苛刻，而且需要引入牺牲剂。氮化钨(WN)由于其良好的太阳能吸收和电子传输性能而成为光热催化中一类具有广阔前景的无机材料。然而，由于通常意义上的块体氮化钨活性较低，且光生电子和空穴难以得到有效的分离和转移，使得它在应用方面受到很大限制。因此，发展有效的方法来提高氮化钨光催化剂活性仍然是一个很大的挑战。通过构筑异质结构可以有效的提高半导体光催化剂的性能和稳定性。对于异质催化剂，电荷分离和表面反应是实现光转化效率的关键性因素。因此构建基于半导体的Z型异质结构也是提高光热催化反应效率的一种强有力的策略。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术空缺，克服其不足，而提供一种Z型异质结构氮化钨-三氧化钨复合材料及其制备方法和应用，通过原位转化的方法设计合成了氮化钨-三氧化钨(WN-WO₃)复合材料，在氮化钨表面将其部分氧化为三氧化钨以达到构建Z型异质结构的目的。利用一种简便的水热技术制备三氧化钨前驱体，经过高温煅烧、完全氮化、部分氧化等一系列过程，制备了具有高稳定性、高光热催化二氧化碳氢化活性的氮化钨-三氧化钨复合材料。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种Z型异质结构氮化钨-三氧化钨复合材料，由经表面部分氧化得到的三氧化钨层和内部的氮化钨纳米棒组成，表面的三氧化钨和内部的氮化钨之间形成Z型异质结构。

而且，复合材料长度为1-5微米，宽度为100-150纳米；优选长度为1—3微米，宽度为100—120nm。

一种Z型异质结构氮化钨-三氧化钨复合材料的制备方法，将氮化钨纳米棒置于空气氛围中，以每分钟1—5摄氏度的升温速度升温至300—350摄氏度并保温反应1—2小时，自然冷却至室温(20—25摄氏度)得到表面部分氧化的氮化钨纳米棒，即由经表面部分氧化得到的三氧化钨层和内部的氮化钨纳米棒组成的Z型异质结构氮化钨-三氧化钨复合材料。

而且，选择在300—320摄氏度下保温反应1—1.5小时。

而且，选择石英管为反应设备，通入空气作为反应气氛氛围。

而且，氮化钨纳米棒采用现有技术(Yu Lei Wang,Ting Nie,Yu Hang Li,Xue LuWang,Li Rong，Zheng,Ai Ping Chen,Xue Qing Gong,and Huagui Yang，Black TungstenNitride as Metallic Photocatalyst for Overall Water Splitting Operable at upto 765nm，http://dx.doi.org/10.1002/anie.201702943；http://dx.doi.org/10.1002/ange.201702943)进行制备，采用三氧化钨、乙二胺进行水热反应得到三氧化钨-乙二胺前驱体，高温煅烧后得到三氧化钨纳米棒，最后在氨气氛围中进行高温反应，得到氮化钨纳米棒。具体如下：