五氧化二钽微-纳米柱阵列膜的制备方法

摘要

本发明涉及一种Ta2O5微?纳米柱阵列膜的制备方法。该方法是把氟化氨溶液和过硫酸铵溶液相混合，用硫酸铵或尿素调节其pH值，进而改变其蚀刻速度，并把Ta片放入其中，水热状态下150?240℃反应12?72h制备Ta2O5阵列膜。通过改变氟化氨和过硫酸铵的量和调节pH值，改变水热温度和时间，可以控制阵列膜的厚度，形貌，尺寸。本发明操作简单可行，一步法完成，绿色环保，尺寸均一，并且具有很高的光催化活性和催化寿命，具有潜在的工业实际应用价值。

权利要求

1.一种五氧化二钽微-纳米柱阵列膜的制备方法，其特征在于包括的步骤：

1)将等体积的NH4F水溶液和(NH4)2S2O8水溶液混合均匀；

2)上述混合溶液中加入(NH4)2SO4或CO(NH2)2调节溶液的pH值为3-5；

3)将溶液转入聚四氟乙烯的釜中，加入金属钽片，在150-240℃下进行水热反应12-72小时；

4)冷却至室温，取出金属钽片，用去离子水冲洗干净，然后室温下晾干，得到Ta2O5微-纳米柱状阵列膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1)所述的NH4F溶液为1.3-1.6M的NH4F水溶液。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1)所述的(NH4)2S2O8溶液为0.17-

0.26M的(NH4)2S2O8水溶液。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的水热反应条件是180-200℃，24-

48小时。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的金属钽片纯度为99.99％，厚度为0.25mm。

6.权利要求1-5任一所述的制备方法得到的五氧化二钽微-纳米柱状阵列膜。

7.根据权利要求6所述的五氧化二钽微-纳米柱状阵列膜，其特征在于所述的柱状阵列膜的直径为0.5-3μm。

说明书

五氧化二钽微-纳米柱阵列膜的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种五氧化二钽微-纳米柱阵列膜的制备方法。

背景技术

[0002] 在过去的几十年里，半导体材料因其在空气污染净化，固体废弃物处理和污水处理等环保方面的应用受到了广泛的关注。各种半导体材料层出不穷，其中五氧化二钽由于其在光催化方面的活性以及高的压电常数，高的折射率和化学稳定性，正越来越多的受到关注。探讨不同形貌不同结构五氧化二钽的合成制备已经成为研究的热点。一维材料因其尺寸的各向异性以及在微电子设备，能量转化，光发射显示屏和化学传感器方面的广泛应用一直是备受关注。此外，作为宽带隙(4.0eV)的半导体材料，五氧化二钽也是紫外光下降解染料和有机化学物的重要的候选光催化材料。

[0003] 目前，所报道的制备Ta2O5阵列的方法主要有以下几种：热灯丝金属氧化物气相沉积制备了五氧化二钽1D纳米柱阵列；通过金属Ta在氟化氢和硫酸电解液中阳极化反应制备了直径30-50nm的酒窝状Ta阵列；通过金属Ta在氟化氢和硫酸电解液中阳极化反应制备了直径20nm长920nm的Ta2O5纳米管阵列膜；通过用多孔的Al2O3覆盖后进行阳极化反应然后氮化得到竖直排列的Ta3N5纳米柱阵列。但是这些技术中，在制备尺寸均匀可调，生产成本低，环境友好，大批量生产已经工业应用方面都不能很好的满足需要，急需解决。因此，如何用一种简单廉价的方法大规模制备出尺寸均匀可调，适用于工业应用的方法仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种新的Ta2O5微-纳米柱阵列膜的制备方法，可以克服现有技术的缺陷。以钽金属为基底，在氟化氨和过硫酸铵与硫酸铵或尿素溶液的混合溶液中进行水热反应，可以制备出大规模高密度、尺寸可调的Ta2O5微-纳米柱阵列膜。本发明操作简单、适用性强。

[0005] 本发明提供的一种Ta2O5微-纳米柱阵列膜的制备方法包括的步骤：

[0006] 1)将等体积的NH4F水溶液和(NH4)2S2O8水溶液混合均匀。

[0007] 2)上述混合溶液中加入(NH4)2SO4或CO(NH2)2调节溶液的pH值至少为3-5。

[0008] 3)将溶液转入聚四氟乙烯的釜中，加入金属钽片，在150-240℃下进行水热反应12-72小时。

[0009] 4)冷却至室温，取出金属钽片，用去离子水冲洗干净，然后室温下晾干，得到钽金属为基底的Ta2O5微-纳米柱状阵列膜。

[0010] 所述NH4F溶液为1.3-1.6M NH4F水溶液；(NH4)2S2O8溶液为0.17-0.26M(NH4)2S2O8水溶液。可选水热反应条件是180-200℃，24-48小时。

[0011] 所述金属钽片纯度为99.99％，厚度为0.25mm。

[0012] 所述柱状阵列膜的直径达0.5-3μm。

[0013] 本发明提供的一种Ta2O5微-纳米柱阵列膜的制备方法与现有的技术相比，本发明采用水热方法，能生成尺寸均匀的柱状阵列，并且方法简单可行。另外所生成的阵列膜紫外光下降解罗丹明B和光解水产氢，催化效果都很好。最高Ta2O5阵列膜的降解效率10分钟的时候是96.3％约是P25(45.2％)的2倍，约是Ta2O5原料(17.5％)的5倍。Ta2O5阵列膜光解水反应中产氢气量是9933.175μmol×h-1×g-1。而且，由于五氧化二钽阵列是长在Ta片上的，所以很容易在催化后回收，与粉末状的催化剂相比极大地避免了在下游分离中的催化剂损耗。本发明可以控制阵列膜的厚度，形貌，尺寸。操作简单可行，一步法完成，绿色环保，尺寸均一，并且具有很高的光催化活性和催化寿命，具有潜在的工业实际应用价值。

附图说明

[0014] 图1为实施例1所得到的Ta2O5微-纳米柱阵列膜的SEM照片。

[0015] 图2为实施例2所得到的Ta2O5微-纳米柱阵列膜的SEM照片。

[0016] 图3为实施例3所得到的Ta2O5微-纳米柱阵列膜的SEM照片。

[0017] 图4为实施例4所得到的Ta2O5微-纳米柱阵列膜的SEM照片。

[0018] 图5为实施例1-4所得阵列膜的XRD图。

[0019] 图6为实施例1所制得的样品在紫外光下降解RhB的催化活性和催化剂寿命图。

[0020] 图7为实施例1所制得的样品在紫外光下所得阵列膜光解水产氢与P25和五氧化二钽原料的对比图。

具体实施方式

[0021] 下面结合具体实施方式及附图对本发明做进一步详细、完整的说明。

[0022] 实施例1

[0023] 10mL 1.6M NH4F水溶液和10mL 0.26M(NH4)2S2O8水溶液在磁力搅拌下混合形成其混合溶液。将0.30g(NH4)2SO4在磁力搅拌下加入到上述混合溶液中，pH值为3(即混合溶液为酸性)，调节不同的反应物的量制备多种平行实验产物。然后溶液转入30ml聚四氟乙烯的釜中，封闭之前加入10×10×0.25mm的Ta片(纯度为99.99％)，然后在200℃水热48小时。实验结束后，将Ta片拿出，用去离子水冲洗干净，然后室温下晾干。所得到的样品是表面光滑的柱状阵列膜，直径约为2.9μm，SEM如图1。

[0024] 实施例2

[0025] 实验步骤与实施例1一致，所不同的是加入的(NH4)2SO4为0.5g。所得到的样品是具有螺旋纹的微纳米柱状阵列膜，直径约为2.7μm，SEM如图2。

[0026] 实施例3

[0027] 实验步骤与实施例1一致，所不同的是把所加(NH4)2SO4换成的CO(NH2)20.15g。所得到的样品是针状尖端的微柱状阵列膜，直径约为1.5μm，SEM如图3。

[0028] 实施例4

[0029] 实验步骤与实施例3一致，所不同的是加入的CO(NH2)2为0.3g。所得到的样品是顶端像钱币的平头柱阵列膜，直径约为2.5μm，SEM如图4。

[0030] 图5为所得阵列膜的XRD图验证了所得阵列膜，主要是由五氧化二钽组成。

[0031] 实施例5

[0032] 考察本发明实施例1所制得的Ta2O5微-纳米柱阵列膜在紫外光下降解RhB的催化活性和催化寿命。将所得的Ta2O5微纳米柱状阵列膜0.1g放入200ml RhB(0.01g/L)中，黑暗中搅拌30分钟达到吸附-脱附平衡，然后每10分钟取一次样，用液体紫外测其吸光度，计算C/C0，做循环降解实验，循环6次，结果如图6。

[0033] 实施例1所制得的阵列膜(第一次)的催化效率是96.3％，实施例1所制得的阵列膜，经过6次循环测试后催化效果没有降低。

[0034] 实施例6

[0035] 考察本发明实施例1所制得的Ta2O5微-纳米柱阵列膜在紫外光下光解水产氢的催化活性，将0.1g所得的阵列膜放入100ml含10％甲醇的水溶液中，真空抽30分钟，然后用200W的Xe灯(紫外光)照射，每1小时取一次样，在线用热岛气相色谱分析(Varian CP-
3800)。结果如图7(左图)。

[0036] 所用的阵列膜高度和总Ta片的高度对比通过计算，从而计算出每克Ta2O5所产的氢气量。结果如图7(右图)。

[0037] 由图7(左图)可知，所得阵列膜在5小时内的单位时间单位质量下氢气量的曲线。由右图可知，经过计算含阵列的Ta片上Ta2O5阵列膜在单位时间单位质量所产氢气的量是-1 -1
9933.175μmol×h ×g 。