关于N 掺杂Nb2 O5纳米光催化剂的制备及其可见光催化性能研究

引言

在光催化领域，Nb2O5纳米材料作为半导体光催化剂，表现出了良好的催化活性及稳定性.但是，由于Nb 4d 轨道的存在使其导带电势较正，带隙较宽，因此，Nb2O5光催化剂仅对紫外光有响应. 而紫外光仅占到达地球表面太阳光能量的3% ～ 4%，可见光却占42%左右，为了充分利用太阳光，可对Nb2O5光催化剂进行修饰与改性，从而制备出具有可见光响应的纳米光催化材料.

金属离子取代掺杂、离子注入、光敏化、催化还原处理以及配合剂表面配位等方法，虽均可以提高光催化剂的可见光响应性，但各自又存在一些缺点与不足，如可见光利用范围较窄、寿命短等. 而非金属掺杂由于能够在不降低紫外光催化活性的基础上实现可见光催化，因而引起了人们广泛的关注. 目前研究的非金属掺杂元素主要有C、P、N、S、F 等.2001 年，Asahi 等对TiO2进行非金属离子N掺杂，催化剂在387 ～ 500 nm 范围内具有可见光活性，并可成功降解亚甲基蓝等有机物. 此后，N掺杂便得到了广泛的关注.

在该实验中，通过水热法和程序升温氨解法成功地合成了不同煅烧温度下N 掺杂的Nb2O5纳米光催化剂. 同时，也探索了在甲醇体系下，所制备样品在可见光下光催化分解水制氢的活性.

1 实验部分

1. 1 光催化剂的制备

将商业Nb2O5粉末0. 2 g 置于氢氟酸20 mL、硫酸20 mL、蒸馏水10 mL 的混合溶液中，磁力搅拌使Nb2O5粉末完全溶解，混合液变澄清，将氨水逐滴加入到混合溶液中，至大量白色沉淀析出，调节混合溶液的pH = 9，静置、离心、水洗，将样品置于0. 1 mol /L NH4F 溶液的反应釜中，180 ℃水热反应16 h，得到Nb2O5纳米光催化剂.

将所制得的纳米Nb2O5放入管式炉，在氨氛中煅烧5 h ( 气体流速50 mL /min 升温速率10 ℃ /min) ，随着温度升高样品氮掺杂量不同，样品颜色有明显的变化，且可见光的催化活性不同.

1. 2 光催化剂的表征

利用日本Hitachi S - 4800( FE - SEM) 对样品进行表征，观察其形貌结构，尺寸大小. 采用德国Bruker 公司的D8 ADVANCE X - 射线衍射仪( 以Cu Ka 射线为X 射线源) 分析样品的晶体结构. 采用Hitachi U4100 型分光光度计分析样品对光的吸收情况. 样品的元素组成及化合价的分析采用美国PE - PHI 公司生产的PHI 5700 ESCA型X 射线光电子能谱仪，利用Al Ka 射线作为X 射线辐照源.

1. 3 光催化剂的制氢活性

将0. 05 g 光催化剂样品置于90 mL 蒸馏水和10 mL 无水甲醇混合溶液中. 整个反应在恒温( 8 ℃) 下进行，光源使用PLS - SXE300 /300UV，同时使用GC - 7890 型气相色谱仪分析氢气的产生量.

2 结果和讨论

2. 1 光催化剂的表征

在程序升温氮化的过程中，升温速率，气体流速，煅烧时间都影响着目标产物的氮化情况.以水热法在180 ℃ - 16 h 的条件下制得的纳米Nb2O5作为前驱体，在氨的气氛中煅烧，在升温速率、气体流速一致的条件下以煅烧温度为:600、650、700、750 和800 ℃分别制得样品，探究煅烧温度对氮化程度及样品可见光催化性能的影响.

首先，为了探究不同煅烧温度对样品形貌的影响，对制备的样品进行了SEM 表征，如图1 所示. 从不同煅烧温度下制得样品的SEM 图可以看出，氮掺杂的Nb2O5粒子中心有孔，具有不规则的几何形貌，其尺寸相对均一，随着氮化煅烧温度的升高，由于在程序升温氨解的过程中，氨气通过氧化物床层反应具有温度差，可能由于受热不匀导致样品形貌未能均一.图2 是不同煅烧温度制得的N 掺杂的Nb2O5纳米光催化材料的XRD 图. 如图2 所示，在600 ℃( 单斜型JCPDS NO. 27 - 1312) 、650 ℃( 单斜型JCPDS NO. 27 - 1312) 、700 ℃( 正交型JCPDS NO. 27 - 1003) 制得样品的谱图在2 =22. 606和2 = 28. 586中出现Nb2O5的特征峰，并且随着温度升高衍射峰强度增加，表明晶型逐渐趋于完整，说明700 ℃以下氮元素掺杂引起了Nb2O5晶体结构的改变，但改变的并不明显.750 ℃、800 ℃晶相组成与标准卡片( JCPDS NO.50 - 0320 ) 相一致，均为四方体型氮氧化铌( Nb3. 49N4. 56O0. 44) ，这是说明在高温下，氮元素可取代Nb2O5晶体中大部分氧原子.

3 结束语

该文利用程序升温氨解法，制备了氮掺杂的Nb2O5纳米光催化剂. 由SEM 和XRD 分析表明，部分样品具有孔结构. 随着温度的升高，样品的氮化程度不同，晶型也发生了明显的转化，750 ℃ 时为四方体型氮氧化铌( Nb3. 49 N4. 56O0. 44) . 此外，煅烧温度也对样品的光催化性能有一定的影响，750 ℃ 样品的可见光催化活性最佳，为180. 1 molg - 1h - 1 .