一步原位制備Nb2O5/NbC復(fù)合材料用于高效光催化氧化*

馬曉清，黃麗娜

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

人類社會(huì)日新月異的發(fā)展與能源危機(jī)和環(huán)境污染之間的矛盾日益激化，使得對(duì)無碳清潔能源的深入發(fā)掘顯得尤為重要和緊迫。努力實(shí)現(xiàn)“碳中和”，即達(dá)到二氧化碳或溫室氣體的相對(duì)“零排放”，是全球可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。利用太陽輻射是減少對(duì)化石燃料依賴的關(guān)鍵，對(duì)太陽能的持續(xù)轉(zhuǎn)化和利用可以滿足當(dāng)下乃至將來人類對(duì)能源的需求。固態(tài)光催化劑能夠把太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，主要應(yīng)用于降解污染物、裂解水產(chǎn)氫產(chǎn)氧、固氮和二氧化碳還原等，一般具有廉價(jià)、穩(wěn)定易回收的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。當(dāng)下，人們?cè)谀茉春铜h(huán)境問題上不斷努力的同時(shí)，注重新材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)，不可避免的強(qiáng)調(diào)界面的有效接觸和高效的電荷傳輸這兩大微觀因素[3-4]。

d0或d10外層價(jià)電子結(jié)構(gòu)的金屬氧化物對(duì)光催化反應(yīng)有明顯助劑作用[21-22]。其中第V副族的元素Nb和Ta的陽離子氧化物，近年來表現(xiàn)出很有潛力的光催化和光電化學(xué)性能[23-24]。Nb2O5作為熱力學(xué)上最穩(wěn)定的鈮氧化物，是一種類似TiO2的寬帶隙 (3.4 eV) 半導(dǎo)體，近二十年來在光催化和光電化學(xué)太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多[25-28]。1987年，Quarto最早研究了非晶Nb2O5薄膜光電極[29]。Prado等合成的Nb2O5作為光催化劑能有效降解靛紅，并且具有高穩(wěn)定性和可回收性[30]。2010年以后，以Nb2O5為代表的鈮基半導(dǎo)體材料在太陽能轉(zhuǎn)換方面獲得了更多的關(guān)注，擁有與TiO2類似的能帶結(jié)構(gòu)以及可調(diào)控的形態(tài)和比表面積。Sreethwong等以乙醇鈮為前驅(qū)體，使用有機(jī)溶劑熱法合成了Nb2O5納米顆粒，550 ℃熱處理后在紫外光下的光催化產(chǎn)氫速率高于最常用的P25 TiO2[31]。通過乙醇鈮溶膠凝膠法，靜電紡絲得到的Nb2O5納米纖維在紫外光下對(duì)甲基橙有很強(qiáng)的降解能力，且不同晶態(tài)結(jié)構(gòu)的催化效率不同[32]。類似的，將NbCl5和烏洛托品共同水熱得到的分級(jí)花狀Nb2O5微球，紫外光激發(fā)產(chǎn)生的空穴氧化水得到羥基自由基，從而進(jìn)一步氧化羅丹明B[33]。但是鈮氧化合物的體系遠(yuǎn)比想象中復(fù)雜，這就需要更多更深入的研究。也因此，盡管鈮的氧化物具備自然界含量多和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，在光電學(xué)界還未得到充分的了解和重視。它們的性能主要取決于Nb的氧化程度，受到合成手段和制備條件的影響[6,34-35]。

在特定氣氛中對(duì)樣品進(jìn)行熱處理，原位生長(zhǎng)目標(biāo)產(chǎn)物的方法是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)最便捷的方法[36-41]。該過程是前驅(qū)體發(fā)生離子擴(kuò)散，再結(jié)晶和生長(zhǎng)，與此同時(shí)提供更全面和精確的溫度誘導(dǎo)，逐步相轉(zhuǎn)變的過程[42]。比如，在空氣中退火TiN和TiC粉末，可以獲得N摻雜和C摻雜的TiO2。熱處理中融合和結(jié)晶的過程，能獲得基體和產(chǎn)物緊密接觸的異質(zhì)復(fù)合材料。例如在空氣中焙燒TiN薄膜得到的TiN/TiO2復(fù)合光陽極，用于染料敏化太陽能電池和光電分解水[43]。Zheng等在爐中快速氧化TiN實(shí)現(xiàn)不平衡反應(yīng)，構(gòu)建了TiOxNy@TiN的核殼結(jié)構(gòu)，能在可見光照射下催化水產(chǎn)氫[44]。關(guān)于對(duì)Nb基化合物進(jìn)行熱處理的報(bào)道相對(duì)較少[45-46]。在NbO上退火原位生長(zhǎng)NbO/Nb2O5核殼復(fù)合材料的過程中，其晶體轉(zhuǎn)變和干涉色的變化也得到研究和報(bào)道[40]。Kolbesen課題組研究了快速加熱轉(zhuǎn)變過程中Nb薄膜的氧化和氮化，以及氧化鈮薄膜的氮化[5,42]。近年來，微尺度的氧化鈮材料在光化學(xué)和電化學(xué)領(lǐng)域越來越顯示出極強(qiáng)的可塑性及發(fā)展?jié)摿?，值得深入研究?/p>

本文提出在空氣中焙燒碳化鈮固體粉末作為前驅(qū)體的方法，產(chǎn)出含氧化鈮的微相異質(zhì)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)研究了加熱氧化過程中，前驅(qū)體的結(jié)晶轉(zhuǎn)變以及氧化物的產(chǎn)出過程。并且測(cè)試了光催化反應(yīng)的性能，分析光學(xué)性質(zhì)和電荷傳遞能力。在熱轉(zhuǎn)變過程中，通過性能測(cè)試獲得最佳的反應(yīng)條件，為熱處理原位合成方法制備鈮氧化物材料提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 Nb2O5/NbC光催化劑的制備

將0.5 g 商品碳化鈮(99%, 2 μm)黑色粉末平鋪在瓷方舟內(nèi)，放入馬弗爐，分別在400、550和600 ℃空氣中退火1，2和3 h。被氧化的NbC呈現(xiàn)出由灰至白的不同粉末，樣品被分別命名為400-1, 400-2，400-3，550-1，550-2，550-3，600-1，600-2和600-3。

1.2 樣品表征

使用X射線衍射儀(Bruker D/8)在Cu Kα輻射下對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了物相鑒定。分別使用XL30 FEG (Philips)和Tecnai G2 F20 S-Twin (FEI公司)進(jìn)行掃描電鏡(SEM)和高分辨透射電鏡(HRTEM)成像。采用帶有Mg Kα輻射的Perkin Elmer PHI 5000C ESCA系統(tǒng)采集X射線光電子能譜(XPS)，以284.6 eV處C1s信號(hào)為參考。紫外-可見漫反射光譜(DRS)由Cary-500 (Varian, USA)紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)得。傅里葉變換紅外光譜是由Nicolet公司的Nexus光譜儀分析測(cè)定。

1.3 光催化性能測(cè)試

光催化降解亞甲基藍(lán)的反應(yīng)在特制光反應(yīng)儀內(nèi)進(jìn)行。過程如下：分別將20 mg光催化劑與10 mL 濃度為10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液置于容量為10 mL的石英試管中超聲分散，隨后放置在暗箱反應(yīng)器中的凹槽內(nèi)，保持磁力攪拌。進(jìn)行暗態(tài)吸附2 h后，開啟800W 的Xe燈照射，進(jìn)行光催化降解反應(yīng)，并且在光照過程中，試管槽旋轉(zhuǎn)以保證均勻的受光度。試管槽池和Xe燈冷阱內(nèi)循環(huán)流通冷卻水以排除光照升溫對(duì)反應(yīng)速率的影響。每隔20 min, 用注射器從每個(gè)試管內(nèi)吸出4 mL的反應(yīng)溶液，離心出催化劑，取適量上清液放入比色皿中作為待測(cè)溶液。使用UV-2300紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)量其在500～800 nm入射光范圍內(nèi)的吸收光譜，記錄664 nm處的吸光度。然后將催化劑和亞甲基藍(lán)溶液重新混合倒入試管中，繼續(xù)光照反應(yīng)。以上為一次數(shù)據(jù)采集。當(dāng)逐個(gè)完成全部時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)采集后，利用亞甲基藍(lán)溶液對(duì)特定波長(zhǎng)吸光度與濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，作出光照過程中反應(yīng)物濃度的變化曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的物相與光吸收特征

圖1(a)展示出不同熱處理?xiàng)l件制備的樣品XRD譜圖，以及前驅(qū)體NbC和主要產(chǎn)物Nb2O5的對(duì)照衍射譜。其中NbC前驅(qū)體的衍射峰對(duì)應(yīng)高純度的NbC結(jié)晶相(PDF 38-1364)。Nb2O5對(duì)應(yīng)正交晶相。由從低溫400 ℃至高溫600 ℃制備的所有樣品的XRD圖發(fā)現(xiàn)，只有400℃空氣焙燒出的樣品殘留少量的NbC晶相，主體結(jié)構(gòu)則為正交晶系的Nb2O5，且不同樣品最強(qiáng)衍射峰的位置沒有明顯移動(dòng)。隨著溫度升高至550、600 ℃，NbC基本完全轉(zhuǎn)化成Nb2O5，在XRD中難以觀察到雜峰。氧化產(chǎn)物Nb2O5仍為正交晶相，結(jié)晶度和純度隨溫度升高逐漸提高。極細(xì)微處發(fā)現(xiàn)，600 ℃制備的樣品結(jié)晶度較高，可以明顯觀察到29°左右相近的兩個(gè)分裂衍射峰，證實(shí)了正交晶系的形成。比較相同溫度不同保溫時(shí)間制備的樣品，發(fā)現(xiàn)400 ℃時(shí)，隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，NbC的衍射峰逐漸減小，并不完全消失，說明NbC前驅(qū)體沒有被全部氧化。證實(shí)該反應(yīng)過程的驅(qū)動(dòng)力主要由溫度提供，而400 ℃提供的熱量不足以驅(qū)動(dòng)氧化反應(yīng)的完全進(jìn)行。在550和600 ℃的驅(qū)動(dòng)力下，XRD結(jié)果顯示不出NbC的晶面衍射峰。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)晶度提高，晶相結(jié)構(gòu)未變化。

圖1 分別400、550、600 ℃退火1，2，3 h制備的樣品、NbC和商品Nb2O5的(a) XRD圖， (b)紫外-可見漫反射吸收光譜， (c) 放大標(biāo)尺后對(duì)應(yīng)的380～600 nm光吸收譜Fig 1 XRD patterns (a), UV-vis diffuse reflectance spectra (b) and scale-magnified optical spectra (c) of as-prepared samples annealed at 400, 550 and 600 ℃ for 1-3 h, NbC and commercial Nb2O5

圖1(b)為NbC和分別400、550、600 ℃退火1、2、3 h制備的樣品，以及對(duì)照組商品Nb2O5的紫外可見漫反射吸收光譜。深灰黑色NbC粉末的吸收光譜顯著異于所制備的樣品，在整個(gè)300～800 nm的入射波長(zhǎng)區(qū)域，具有高而穩(wěn)定的吸光度，在480 nm處出現(xiàn)最大值。所有熱處理獲得樣品在經(jīng)歷300～400 nm較強(qiáng)的光吸收后，410 nm處出現(xiàn)相同的吸收帶邊，此后在可見光區(qū)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的光吸收水平。在450～800 nm的入射波長(zhǎng)范圍內(nèi)，400 ℃制備的樣品在可見光區(qū)域的吸光度隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低。這與退火過程中，NbC量的變化是一致的。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到550和600 ℃，除了550 ℃退火1 h的樣品，其余樣品吸收光譜的水平線幾乎重合，說明光入射深度內(nèi)NbC的量很少，在550 ℃時(shí)幾乎完全轉(zhuǎn)化，溫度的提高或者時(shí)間的延長(zhǎng)都不會(huì)使吸收光譜明顯變化。這與XRD的物相分析結(jié)果一致。

2.2 材料的微觀結(jié)構(gòu)及成分分析

由圖2觀察NbC和所有樣品的SEM圖像發(fā)現(xiàn)，前驅(qū)體NbC由尺寸為100 nm～3 μm，規(guī)則形狀的晶體顆粒組成，大小不一，團(tuán)聚成簇。這是由NbC結(jié)晶過程中必不可少的熱處理步驟造成的。在400 ℃熱處理后，NbC到Nb2O5的成分轉(zhuǎn)變使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，樣品為堆積形貌，觀察到明顯的晶粒和聚集，出現(xiàn)碎晶粒堆積和較大塊體。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高至600 ℃，細(xì)小晶粒明顯增多，暗示新物相的產(chǎn)生。顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象更加突出，與NbC相比，缺少明顯的晶粒形狀和邊界。EDS結(jié)果顯示，NbC和樣品都是由Nb、O和C 3個(gè)元素組成的。然而由于自然界的污染，C的含量是很難量化的。觀察氧元素的變化，僅在400 ℃中保溫1 h后，樣品中的O含量就明顯提高。證實(shí)NbC在空氣400 ℃退火的條件下的確發(fā)生了氧化。

圖2 NbC和分別400、550、600 ℃退火1、2、3 h制備的樣品SEM圖和對(duì)應(yīng)EDS圖Fig 2 SEM and EDS results of NbC and as-prepared samples annealed at 400, 550 and 600 ℃ for 1-3 h

對(duì)NbC和樣品中元素進(jìn)行XPS測(cè)試，分別從C的結(jié)合能和Nb的結(jié)合能研究材料成分的變化(圖3)。如圖3(a)—(c)所示，NbC中C 1s約283 eV處出現(xiàn)較強(qiáng)的峰是Nb-C結(jié)合能的峰。然而在400 ℃保溫1 h的樣品中，發(fā)現(xiàn)該峰已經(jīng)減弱到很小了。再在600 ℃保溫3 h的樣品中觀察，已經(jīng)沒有除284.6 eV C—C鍵、286.5和288.3 eV處C-O、-OH以外的多余雜峰了。說明高溫制備樣品的主要成分為氧化鈮和可能殘余低于探測(cè)限的NbC和C元素。類似現(xiàn)象在Nb的相關(guān)譜圖中也能輕易觀察到。

圖3(d)所示為NbC和分別在400，550，600 ℃反應(yīng)1 h樣品的Nb 3d能譜圖。NbC相較氧化后的樣品在203 eV附近出現(xiàn)小峰，是Nb-C化學(xué)鍵的結(jié)合能。NbC中Nb 3d在206.7和209.5 eV的譜峰主要由Nb-O 鍵引起的，這是材料表面對(duì)O的吸附與結(jié)合導(dǎo)致的，從TEM可以看到晶粒外緣明顯的非晶氧化層(圖4)。經(jīng)過熱處理后，Nb-O化學(xué)峰逐漸升高和右移，說明Nb2O5的生成，并且純度隨退火溫度越來越高，NbC減少至幾乎消失。XPS圖中Nb的結(jié)合能變小，說明反應(yīng)過程中有產(chǎn)生碳元素?fù)诫s的可能[47]。

圖3 NbC和分別400、550、600 ℃制備樣品的C 1s (a，b，c) 和Nb 3d (d) XPS譜圖Fig 3 High resolution XPS spectra of C 1s (a-c) and Nb 3d (d) for NbC and as-prepared samples annealed at 400, 550 and 600 ℃ respectively

圖4為部分樣品的HRTEM和SAED結(jié)果，反映了400～600 ℃氧化過程中成分和結(jié)構(gòu)的變化。圖4(a)為前驅(qū)體NbC晶體的HRTEM圖像，有明顯的晶格條紋，與XRD譜中NbC 的(111) 晶面間距吻合。對(duì)選區(qū)電子衍射花樣進(jìn)行標(biāo)定，證實(shí)了該反應(yīng)物由微米尺寸的NbC單晶晶粒組成。從HRTEM圖像還能明顯觀察到最外層6～10 nm厚度的非晶層，結(jié)合XPS結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，NbC晶體表面在空氣中極易被氧化，產(chǎn)生非晶鈍化層。圖4(b)為僅400 ℃保溫1 h制備的樣品HRTEM和SAED圖。SAED圖像顯示為多晶結(jié)構(gòu)，衍射斑點(diǎn)分別屬于Nb2O5和NbC。高分辨的晶格條紋顯示，樣品外緣有結(jié)晶較好的Nb2O5晶粒。這是因?yàn)楸〉倪吘壗Y(jié)構(gòu)受熱和O擴(kuò)散更快，最易被氧化。說明此時(shí)NbC已經(jīng)開始從外至內(nèi)被氧化，Nb2O5晶粒逐漸形核長(zhǎng)大。圖4(c、d)是400 ℃保溫3 h制備的樣品，光催化活性最高(圖6)。分析圖4(c)看出，400-3樣品仍是Nb2O5和NbC混合的多晶體結(jié)構(gòu)，處在NbC向Nb2O5加熱轉(zhuǎn)變的過程中。HRTEM圖像證實(shí)，碳的逸出在晶體中留下了不規(guī)則的孔洞結(jié)構(gòu)。圖(d)的選區(qū)衍射圖反映出晶體外緣的Nb2O5單晶，在HRTEM圖中觀察到大量有序排列的Nb2O5結(jié)構(gòu)。對(duì)比圖4(b)，說明NbC隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)和O的擴(kuò)散繼續(xù)轉(zhuǎn)化，Nb2O5進(jìn)一步生長(zhǎng)與晶化，在材料外層形成穩(wěn)定的Nb2O5活性物質(zhì)，與體相未完全轉(zhuǎn)化NbC形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。隨著溫度升高，550 ℃保溫3 h(圖4(e))得到樣品的衍射斑點(diǎn)已經(jīng)明顯區(qū)別于多晶雜環(huán)，標(biāo)定出Nb2O5的單晶晶面。說明Nb2O5在550 ℃時(shí)能夠結(jié)晶完成，極少體相NbC殘留。當(dāng)經(jīng)歷了600 ℃保溫3 h后，圖4(f)可以觀察到完整的Nb2O5單晶衍射斑點(diǎn)，說明大部分前驅(qū)體轉(zhuǎn)化生成氧化物Nb2O5。

圖4 NbC (a) 和分別400、550、600 ℃制備的樣品400-1 (b), 400-3 (c和d), 550-3 (e) 和600-3 (f) 的HRTEM及對(duì)應(yīng)的SAED圖Fig 4 HRTEM images and SAED patterns of NbC (a) and 400-1 (b), 400-3 (c, d), 550-3 (e) and 600-3 (f) samples

FT-IR(圖5)結(jié)果進(jìn)一步顯示，樣品中并沒有出現(xiàn)新的含碳官能團(tuán)，說明樣品殘留的灰色是由微量未反應(yīng)完全的NbC或單質(zhì)碳造成的[26]。這也影響到材料光催化過程中光生電子-空穴對(duì)的分離及反應(yīng)。

圖5 分別400、550、600 ℃退火1、2、3h制備樣品的FT-IR光譜Fig 5 FT-IR spectra of as-prepared samples annealed at 400, 550 and 600 ℃ for 1-3 h

2.3 光催化降解測(cè)試

測(cè)試模擬太陽光照射下材料降解亞甲基藍(lán)溶液的能力，研究制備條件對(duì)原位氧化NbC產(chǎn)物的影響。圖6分別展示了不同催化劑懸濁液在暗態(tài)吸附和光降解的全過程中亞甲基藍(lán)濃度的變化，以及光降解過程中濃度變化的自然對(duì)數(shù)曲線。由圖6(a)發(fā)現(xiàn)，催化劑的吸附效率和催化效率基本呈正相關(guān)。即材料對(duì)污染物的吸附作用越大，其光照下的降解效果也越好。這在光催化降解污染物的現(xiàn)象中是較為普遍的。因?yàn)榉垠w催化劑的非均相催化過程勢(shì)必是伴隨吸附過程同時(shí)進(jìn)行的，對(duì)污染物的吸附作用越大，光照過程中污染物與光生空穴接觸的機(jī)會(huì)越大，發(fā)生污染物礦化的反應(yīng)位點(diǎn)越多，光催化除污的表現(xiàn)也越好[48]。在圖示過程中，除了NbC、商品Nb2O5和樣品600-2、600-3的光催化效果明顯低于其他，其余樣品溶液的最終反應(yīng)物濃度接近，即100 min內(nèi)基本將亞甲基藍(lán)降解完全。將暗態(tài)吸附平衡下的反應(yīng)物濃度作為降解開始的濃度，進(jìn)行歸一處理后，得到圖6(b)，表示降解過程中反應(yīng)物濃度變化的對(duì)數(shù)曲線。通過全部近似線性的一次曲線，得到該光反應(yīng)過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)過程：ln(c/c0)=kt。斜線的斜率直觀反應(yīng)了光催化降解亞甲基藍(lán)反應(yīng)速率的大小。不難總結(jié)出，所有樣品的光催化降解速率由大到小依次為：400-3，400-2，400-1，550-1，550-2，550-3，600-1，600-3和600-2。與以上樣品不同，NbC和高純商品Nb2O5則表現(xiàn)出微小的反應(yīng)速率。

圖6 分別400、550、600 ℃退火1、2、3 h制備的樣品和NbC前驅(qū)體，以及商品Nb2O5在紫外可見光下吸附和降解亞甲基藍(lán)溶液的濃度變化圖Fig 6 Adsorption and photodegradation plot of methylene blue for as-prepared samples annealed at 400, 550 and 600 ℃ for 1-3 h, NbC and commercial Nb2O5 under UV-vis irradiation

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：高純商用NbC和Nb2O5晶體顆粒在Xe燈下對(duì)亞甲基藍(lán)污染物的降解率不足20%，由NbC原位高溫氧化得到的氧化鈮樣品則具有較高的光催化活性。其中表現(xiàn)最好的樣品400-3在100 min內(nèi)降解率接近100%，表現(xiàn)最差的樣品600-2和600-3對(duì)反應(yīng)物的降解率達(dá)到60%。XRD結(jié)果顯示，400 ℃煅燒3 h制備的樣品中不僅包含結(jié)晶度很好的Nb2O5晶體，還殘余少量未反應(yīng)的NbC。又表現(xiàn)最好的前3個(gè)樣品都是400 ℃制備的樣品，即唯一一組明顯含有NbC雜質(zhì)的樣品。二者的吻合恰好證實(shí)了材料的光催化活性與NbC的存在有密不可分的聯(lián)系。如圖7所示，該催化劑的最佳活性由Nb2O5和NbC的協(xié)同作用產(chǎn)生。NbC增強(qiáng)可見光吸收水平的同時(shí)，能提高材料的電荷分離與傳輸效率。Nb2O5的含量和結(jié)晶性決定了半導(dǎo)體光激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)及在特定環(huán)境中發(fā)生氧化還原反應(yīng)的能力。隨著更高溫度的熱處理，NbC急劇減少，生成更高純度和結(jié)晶度的Nb2O5樣品。因?yàn)槿鄙貼bC的輔助，樣品的光催化效率隨著熱處理溫度和時(shí)間的提高而逐步下降。與NbN原位氧化的過程類似[46]，受到溫度和氧氣擴(kuò)散的影響，碳的逸出留下大量的孔洞結(jié)構(gòu)，使材料的比表面積增大。盡管600 ℃制備的樣品在XRD和XPS上顯示出Nb2O5的結(jié)構(gòu)組成，多孔的形貌結(jié)構(gòu)以及可能殘留的碳物種是造成Nb2O5樣品和商品Nb2O5在光催化測(cè)試中出現(xiàn)區(qū)別的原因。

圖7 Nb2O5/NbC的光催化過程示意圖Fig 7 Schematic illustration of photochemical charge transfer on Nb2O5/NbC microcomposite

3 結(jié) 論

采用一步空氣煅燒法，以NbC為前驅(qū)體原位制備出Nb2O5/NbC微晶復(fù)合材料。優(yōu)化后的熱處理?xiàng)l件為400 ℃煅燒3 h，該Nb2O5/NbC在紫外可見光下降解亞甲基藍(lán)的速率相較Nb2O5或NbC單一相材料提高了約16倍。這主要?dú)w功于鈮氧化物半導(dǎo)體與金屬性導(dǎo)體NbC的協(xié)同作用，以及C逸出形成的高度結(jié)晶的多孔結(jié)構(gòu)。Nb2O5作為半導(dǎo)體光催化主體，帶隙激發(fā)產(chǎn)生具有一定氧化還原反應(yīng)的載流子；NbC輔助這一過程，提高光吸收和光生載流子的分離效率。這項(xiàng)工作不僅為鈮基化合物的光學(xué)性質(zhì)、半導(dǎo)體性質(zhì)和(光)電化學(xué)方面的性能提供視角，而且為熱處理方法制備新材料的反應(yīng)過程和原理提供了實(shí)驗(yàn)及理論依據(jù)。