專利名稱：一種TaO_x@Ta₂O₅核殼納米顆粒的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種TaOxOTa2O5核殼納米顆粒的制備方法。
背景技術(shù)：
由于Tii2O5具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，以及熔點(diǎn)高等特點(diǎn)，在顏料的降解、污水處理、以及光解水制氫等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于半導(dǎo)體型金屬氧化物 Ta2O5在光催化反應(yīng)過程中具有較大的禁帶寬度(-3. 9 eV)，僅能在紫外區(qū)有光催化響應(yīng)，對太陽光的吸收利用效率較低。鑒于此，人們采用了很多方法對Ta2O5進(jìn)行改性以提升其性能。主要有以下三種一、調(diào)控形貌，形貌在很大程度上影響了它的性能，通過形貌的調(diào)控， 進(jìn)而改善其性能。二、摻雜，摻雜一方面降低了其禁帶寬度，提高了對可見光的吸收和利用， 另一方面可以有效地促進(jìn)光生電子和光生空穴的分離，降低它們的復(fù)合幾率，提高光催化活性。三、修飾，修飾主要可以使光生空穴-電子對有效的分離，從而提高其性能。對Ta2O5 進(jìn)行摻雜和修飾報(bào)道的主要有固相反應(yīng)法以及冷等離子體處理技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種TaOxOTa2O5核殼納米顆粒的制備方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 TaOxOTa2O5核殼納米顆粒的制備方法，其特征在于包括以下步驟
把鉭單質(zhì)靶材浸沒在無水乙醇中，采用Nd:YAG脈沖激光，波長為1064 nm，能量為 85-95 mj，燒蝕鉭單質(zhì)靶材25-35分鐘，得到TaOxOTa2O5的膠體溶液；離心、干燥得到TaOxO Ta2O50所述的TaOxOTii2O5核殼納米顆粒的制備方法，其特征在于所述的Nd: YAG脈沖激光波長為1064 nm，能量為90 mj。所述的TaOxOTa2O5核殼納米顆粒的制備方法，其特征在于在燒蝕的過程中靶材連同底部支座不停的旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明方法具有制備周期短，實(shí)驗(yàn)裝置簡單，制備的膠體顆粒非常穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；通過 XRD物相分析、SEM和TEM電鏡和電子能譜結(jié)構(gòu)、成分分析，證明了合成的產(chǎn)物是核殼結(jié)構(gòu)的 TaOxOTa2O5納米復(fù)合材料，而且具有光催化活性的Ta2O5殼層只有2_3 nm厚，從而更有利于光生電子快速地遷移到催化劑顆粒表面，而TaOx的存在也會降低光生電子-空穴對復(fù)合的幾率，因此有望得到相對于純Ta2O5納米顆粒更高的光催化效率。


圖1TaOxOTa2O5核殼納米結(jié)構(gòu)合成過程示意圖。圖2激光燒蝕后樣品的XRD圖。圖3 TaOxOTa2O5核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的掃描電子顯微(SEM)圖片(a)，透射電子顯微(TEM)圖片(b)，單個(gè)核殼結(jié)構(gòu)的高分辨TEM圖片(c)和相應(yīng)于(c)圖的局部放大圖(d)。圖4 TaOxOTa2O5核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的X-射線光電子能譜(XPS)表面表征分析。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 AaOxOTa2O5核殼納米顆粒的制備方法，包括以下步驟
把鉭單質(zhì)靶材浸沒在13-18 mL無水乙醇中，采用Nd:YAG脈沖激光，波長為1064 nm, 能量為90 mj，燒蝕鉭單質(zhì)靶材30分鐘，得到TaOxOTa2O5的膠體溶液；離心、干燥得到TaOxO Ta2O5，在燒蝕的過程中靶材連同底部支座不停的旋轉(zhuǎn)。實(shí)施例2 如圖1所示，圖1是TaOxOTa2O5核殼納米結(jié)構(gòu)合成過程示意圖；圖2為所得產(chǎn)物的X-射線物相分析衍射圖(XRD)，從圖上我們可以看到大部分的XRD衍射峰來自于TaO，只有一個(gè)峰屬于Ta2O相。圖3a是所的產(chǎn)物的SEM圖，可以看出產(chǎn)物由大量尺寸分布均勻的納米顆粒組成，圖北是低倍TEM圖，由圖北可知，產(chǎn)物是球形的納米粒子，粒徑大小在30 nm左右，可以看到粒子是核殼結(jié)構(gòu)的，圖3c是典型的單個(gè)粒子的高分辨電子顯微圖像(HRTEM)，很明顯，所得產(chǎn)物是核殼結(jié)構(gòu)的球形納米粒子，而且內(nèi)部是結(jié)晶的而表面則是無定形非晶態(tài)的，圖3d是單個(gè)粒子的局部放大圖，通過計(jì)算得出，晶面間距0. 256 nm和 0. 240 nm值分別對應(yīng)TaO的(111)面和Tei2O的(220)面間距，為了進(jìn)一步確定表面元素及其電子價(jià)態(tài)，對所得產(chǎn)物進(jìn)行了 X-射線光電子能譜(XPS)的表面表征分析，如圖4所示，圖如是光電子能譜的全譜圖，很明顯地顯示出了 Ta，0，C元素的結(jié)合能。圖4b中結(jié)合能沈.01 eV和28. 02 eV分別屬于Ta4f7/2和Ta4f5/2電子軌道，通過查XPS能譜手冊可以確定是五價(jià)的鉭離子，圖4c中Ols價(jià)帶譜很明顯有三個(gè)峰組成，通過分峰處理，結(jié)合能在530. 38 eV屬于Ta-O鍵的結(jié)合能，另外兩個(gè)結(jié)合能可以歸因于表面污染和C-O鍵的結(jié)合能，而且0與Ta 的原子比接近2. 5:1，由此我們得出表面是成分是T 05。綜合XRD、TEM和XPS我們得出產(chǎn)物是核殼結(jié)構(gòu)的TaOxOTa2O5納米復(fù)合材料。對于TaOxOTa2O5核殼納米材料的的形成機(jī)理，我們認(rèn)為，在液相激光燒蝕過程中，當(dāng)一束激光與固體鉭靶相互作用后將導(dǎo)致材料表面蒸發(fā)， 產(chǎn)生超高溫、超高壓等離子體，這種包含各種高密度自由基的等離子體在激光作用60 ns 就可以形成，其溫度可以高達(dá)6000K，其局域壓強(qiáng)可高達(dá)lGPa，然后局域等離子體將超音速的向外絕熱膨脹，同時(shí)和周圍環(huán)境發(fā)生相互作用和劇烈的化學(xué)反應(yīng)，從而快速冷卻、凝聚、 直至等離子體的湮滅。在這種極端條件下，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的及液態(tài)介質(zhì)所提供的各種原子、 分子、離子、基團(tuán)將以極快的速度發(fā)生各種物理、化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致新型亞穩(wěn)納米結(jié)構(gòu)的生長與組裝。TaOxOTa2O5核殼納米結(jié)構(gòu)的形成可以簡單分為4個(gè)步驟1)首先當(dāng)一束脈沖激光照射到單質(zhì)鉭靶材上后，在固/液界面上瞬間產(chǎn)生高溫高壓高密度鉭的等離子體；幻鉭的等離子體因其高溫高壓和乙醇介質(zhì)的限域作用將絕熱膨脹，同時(shí)其邊緣處的溫度開始降低，導(dǎo)致鉭團(tuán)簇的產(chǎn)生；3)在等離子體湮滅的過程中，鉭團(tuán)簇與乙醇發(fā)生相互作用后，形成具有亞穩(wěn)相的TaO和Ta2O ；4)由于低價(jià)鉭的氧化物TaOx不穩(wěn)定會繼續(xù)被溶解的氧或乙醇氧化，從而在表面形成了穩(wěn)定的Ta2O5殼層，這個(gè)過程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)為
液相激光燒蝕過程中產(chǎn)生的局域高溫高壓極端環(huán)境為鉭團(tuán)簇與乙醇分子的相互作用提供了獨(dú)特的反應(yīng)條件。
權(quán)利要求
1.TaOxOTa2O5核殼納米顆粒的制備方法，其特征在于包括以下步驟把鉭單質(zhì)靶材浸沒在無水乙醇中，采用Nd:YAG脈沖激光，波長為1064 nm，能量為 85-95 mj，燒蝕鉭單質(zhì)靶材25-35分鐘，得到TaOxOTa2O5的膠體溶液；離心、干燥得到TaOxOTa2O50
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TaOxOTa2O5核殼納米顆粒的制備方法，其特征在于所述的 Nd:YAG脈沖激光波長為1064 nm，能量為90 mj。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TaOxOTa2O5核殼納米顆粒的制備方法，其特征在于在燒蝕的過程中靶材連同底部支座不停的旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種TaOx@Ta2O5核殼納米顆粒的制備方法，包括把鉭單質(zhì)靶材浸沒在無水乙醇中，采用Nd:YAG脈沖激光，燒蝕鉭單質(zhì)靶材半個(gè)小時(shí)，得到TaOX@Ta2O5的膠體溶液；離心、干燥得到TaOx@Ta2O5。本發(fā)明方法具有制備周期短，實(shí)驗(yàn)裝置簡單，制備的膠體溶液非常穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；這種非常規(guī)的方法能夠得到穩(wěn)定存在的TaOx@Ta2O5核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒材料，該結(jié)構(gòu)的納米材料更有利于光生電子與光生空穴的分離，降低它們的復(fù)合，可以有效的提高其光催化活性。
文檔編號B01J23/20GK102294211SQ20111023647
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者劉俊, 張和民, 李強(qiáng), 梁長浩, 田振飛 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究所