NaTaO3的水热合成及其改性文献综述

 2021-10-08 06:10

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文献综述

1.光催化材料

20世纪70年代初期,随着Fujishma和Honda[1]在Nature上首次报道了利用TiO2作为光电极分解水制氢的研究结果后,TiO2和钛酸盐多相光催化剂的研究开始成为热点[2~6]。但锐钛矿型的TiO2带隙宽为3.23eV,只有在紫外光(λ384nm)的激发下才能显示出催化活性,然而太阳光中紫外光能量仅占4%(可见光能量占40%),因而光催化效率比较低[7]。除此之外,还有许多种类的光催化剂,金属氧化物光催化剂如ZnO、WO、Fe2O3、SnO2、Bi2O3;II-IV族半导体ZnS、CdS、CdSe;Bi4Ti3O12及Bi12TiO20等[7]。因此,开发新型光催化剂或进行光催化剂的改性,提高太阳光下的光催化效率成为人们研究的重点。

2.NaTaO3光催化材料

在1997年Kudo和Zhu等人[8]发现了一系列不需要辅助催化剂的钽酸盐化合物用于光解水,开辟了光解水的光催化剂材料的一个新的领域。这类催化剂在无负载的情况下,光催化分解水的活性远远高于TiO2,负载NiO的NaTaO3光催化剂光量子效率达20%(270nm)。与传统的TiO2光催化剂相比,钽酸盐光催化剂一般具有ABO3的钙钛矿结构,具有更大的结构容忍度,可以有效得进行离子的交换,光催化剂结构和性能调整的范围也较大,同时NaTaO3具有一些新的特点,NaTaO3是由TaO6八面体共角连接,TaOTa键角接近163,晶体中激发态能量变化容易,带宽在4.0eV左右。即使在不负载NiO的情况下,NaTaO3在光催化降解有机物、光解水制氢等方面均有较高的效率,在治理环境污染、开发新能源等方面具有良好的应用前景。目前,合成钽酸盐的方法主要有高温固相反应法、水热法等。

钽酸盐吸引了很多的关注,因为钽酸盐具有适合的由Ta5d组成的导带能级以及适当的扭曲TaO6连接造成的高效载体位移。许多钽酸盐,如(Li,,K,Na)TaO3和(Sr,Ba,Ca)Ta2O6已经被开发为光催化剂用作水分解。特别是NaTaO3,作为钙钛矿型半导体材料中的一种,已成为碱金属光催化剂的研究热点。然而,NaTaO3主要固态反应合成或者在高温下采用聚合合成方法。在高温下延长加热时间会引起晶粒尺寸的增加局部的偏析,从而导致低的光催化活性。现在有一些温和的合成策略应运而生,如热液/溶剂热方法,但合成温度仍然会很高。此外,纯NaTaO3只有紫外光光催化活性(Eg≈4eV),NaTaO3的可见光活性也通过使用掺杂技术得以实现。例如,NaTaO3掺杂有一些其他金属离子表现出明显的光催化活性,但其催化活性非常低,这可能是由于掺杂NaTaO3[9]颗粒的尺寸

颗粒的尺寸过大造成的,总而言之,由于NaTaO3在光催化领域有着不可替代的优越性,因而成为研究的一个热点。

3.NaTaO3的合成方法

3.1固相法/聚合合成

NaTaO3主要是通过常规的固态反应合成或者在超过1000~1300oC采用聚合合成方法。在高温下延长加热时间会引起晶粒尺寸的增加和一个或一个以上组件的局部的偏析,从而导致低的光催化活性,无论是从经济还是利用效率上来说,都不划算。

3.2水热合成纳米NaTa03光催化剂[9]

以Ta2O5和NaOH为原料,采用水热法在140~200℃反应12h可以制备出纯相的NaTaO3粉体,随反应温度的升高,粉体的结晶度不断增加,晶粒尺寸会逐渐趋于均匀。所制备的NaTaO3晶体为斜方结构,沿[020]方向择优生长,晶粒尺寸在200~720nm之间,平均禁带宽度为3.9eV,比表面积为2.0m2/g左右。NaTaO3粉体的结晶性及比表面积对其光催化性能影响较大,结晶性越好、比表面积越大,光催化性能越好。在紫外光的照射下,以120℃、140℃和160℃制备的NaTaO3粉体为催化剂时,210min后RhB的降解率分别为61%、92%和67%,140℃制备的NaTaO3粉体具有更为优良的光催化效果,所以水热合成相比较固相法和聚合合成方法有着更大的优越性,对温度的要求没那么高,同时制得的NaTaO3具有更高的光催化活性。

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