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1、2 0 0 5 年1 1 月第六届全国氢能学术会议文集 上海 F e 掺杂T a 2 0 5 光催化制氢性能研究 郑传祥，敬登伟，郭烈锦术 ( 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安7 1 0 0 4 9 ) 自从1 9 7 2 年，F u j i s h i m a 等 1 实现以T i 0 2 电极在紫外光下分解水制氢以来，光催化制氢在理论及应用 上都取得极大进展。2 0 0 1 年邹志网等【2 】在世界上首次实现了可见光分解纯水制氢，更加激起了研究者们向 太阳能要氢能的热情。在各种光催化剂中，基于T i 0 2 的改性研究最为广泛，但其较低的导带位置( - 0 1 VV S N
2、H E ) 决定了其较低的光还原水制氢活性。氧化钽类催化剂由于其更负的导带位置( - 0 3 VV S N H E ) 而受 到广泛关注，但其带隙约4 0 e V ，需对其进行改性使其具有可见光响应。以阴离子如N 等对其掺杂改性， 如T a O N 在可见光下制氢已有报道 3 。但以过渡金属阳离子掺杂对T a 2 0 5 进行改性未见有相关报道。 本文分别以溶胶凝胶法及固相反应法制备了纳米晶1 w t F e 掺杂中孔T a 2 0 5 ( A ) 及体相1 w t F e 掺杂 T a 2 0 5 ( B ) ；以X R D 、拉曼，N 2 吸附脱附及u v _ V i s 漫反射光谱对催化
3、剂物化性质进行了表征，并考察了 二者在紫外及可见光条件下甲醇溶液光催化制氢活性。X R D 结果表明，二者均为正交晶型T a 2 0 5 。前者峰 形较宽显示纳米晶特征，S c h e r r e r 公式估算其尺寸约为1 8 n m ；而后者由于高温处理，其X R D 峰形窄且强 度高，显示了良好结晶度。U V - V i s 漫反射光谱显示两者的吸收带边均红移至5 0 0 n m 左右的可见光区。N ，吸 附脱附分析显示，A 催化剂具有中孔结构，其孔径分布在5 n m 左右。以甲醇为牺牲剂，3 0 0 W 氙灯为模拟 光源，分别考察了两种催化剂在紫外光( g 3 0 0 n m ) 及可见
4、光( L 4 2 0 n m ) 下的光催化产氢活性。研究发现， 前者在紫外条件下产氢速率( 2 1 0 啦n o l h ) 较后者( 1 0 7 t m o l h ) 产氢速率提高近一倍。而在可见光条件下， A 检测不到产氢活性，B 在可见光条件下光催化产氢初始速率达到1 7 1 a m o l h 。在能量较高的紫外光照射条 件下，催化剂中将产生大量的空穴和电子，此时决定光催化活性的主要因素是电子和空穴在催化剂体相及 表面的复合。A 催化剂由于其纳米级的尺寸，极大减少了电子和空穴在体相内的复合，而F e 掺杂所起的浅 势捕获阱的作用也极大抑制了电子和空穴在表面的复合。因此，该催化剂在紫
5、外光下具有良好的光催化活 性。而B 催化剂抑制电子和空穴的复合的能力较差，因此紫外产氢活性也较低。在可见光下，尽管漫反射 光谱显示A 、B 两种催化剂均有可见光吸收，但光生电子和空穴主要是F e 作为供体能级向T a 2 0 5 导带的电 子跃迁而产生的，其数量与掺杂浓度有关。因本研究中，F e 掺杂量仅为1 w t ，可以预期光生电子和空穴 的数量较少；光催化制氢结果显示，此时对光催化活性起决定性作用的是催化剂的结晶度。A 催化剂尽管 有较高的比表面，但其结晶度较差，电子和空穴容易被催化剂中各种缺位所捕获，或在晶界中消亡，因此 基本无可见光活性；而催化剂B 具有良好的结晶度，高温处理极大减少
6、了催化剂中各种缺位及晶界的数量， 使其具有了较好的可见光催化制氢活性。 本研究结果表明，在可见光下，制约光催化产氢活性的瓶颈是能量足以还原水制氨的光生电子数量过 少，而催化剂中存在的缺陷位将进一步降低其可见光活性。寻找最佳带隙并具有良好结晶度的光催化剂以 最大限度获取可以利用的光生电子依然是未来研究工作的重点。 参考文献： 【1 】F u j i s h i m a A ；H o n d aK ，N a t u r e ，1 9 7 2 ，2 3 8 ，3 7 2 】Z o uZ ；Y eJ ，N a t u r e ，2 0 0 1 ，4 1 4 ，5 8 9 3 】H i t o k iQ ；T a k a t a ，T ；K o n d o ，J N ，C h e m C o m m u n ，2 0 0 2 ，1 9 6 8 第一作者：敬登伟，男，2 7 岁，博士研究生 4 联系人：郭烈锦，教授，博导。9 7 3 计划( 2 0 0 3 C B 2 1 4 5 0 ) 及国家自然科学基金( N o 9 0 2 1 0 0 2 7 ) 资助项目 E m a i l ：l j - g u o m a i l x j t u e d u c a 8 7
