具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的製備方法及其應用的製作方法

2023-07-26 05:08:46 2

專利名稱：具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的製備方法及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及二氧化鈦光催化化工技術領域，具體來說是涉及一種通過電 泳沉積技術製備具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的方法。
背景技術：
從1972年發現半導體二氧化鈦電極在紫外光照射下將水分解成氫和氧 氣以來，二氧化鈦在材料領域受到了非常廣泛的重視。Ti02可用於光催化降 解有機物、殺菌消毒、汙水處理、空氣淨化、光分解水制氫等多個方面，由 於Ti02的禁帶寬度較大(3.2eV銳鈦礦型，3.0eV金紅石型)，對可見光的吸 收差，極大的限制了其應用範圍。目前，可見光活性的納米Ti02的製備方法 研究已成為光催化新材料開發的一個十分活躍的課題。通常採用摻雜金屬或 非金屬的方式增加其可見光活性，目前報導的有非金屬如C， N， S等元素的 摻雜以及Fe, Cr, Sb和稀土元素多種金屬元素的摻雜等。其中，碳被認為是 改善其可見光活性的摻雜元素之一。
已經報導的碳摻雜納米Ti02薄膜的製備方法有多種，Khan等通過煤氣 火焰加熱Ti金屬的方法製備了具有可見光響應的含碳的Ti02薄膜，提高了 可見光的吸收性能，出現了更寬的可見光波段吸收平臺，存在的問題是Khan 的方法難以控制；也有報導利用C02作為反應氣體通過濺射金屬Ti靶的方法 製備含碳的Ti02薄膜，我們也曾報導濺射Ti/C混合靶的方法製備含碳的 Ti02薄膜，以及陽極氧化濺射的TiC薄膜然後得到TiO^CV薄膜等方法。但 這些方法存在一些缺點，如濺射鍍膜能耗高，設備昂貴等。

發明內容
本發明目的是提供一種設備簡單、反應液可重複使用、節能減排的製備 具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的方法。
本發明的另一目的是提供了上述具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化
3為達到上述目的，本發明提出了 一種具有可見光活性的碳摻雜納米二氧 化鈦薄膜的製備方法，以碳化鈦納米粉為原料，先通過直流穩壓電源或恆電 位儀作為輸入設備，利用納米碳化鈦的懸濁液作為電泳沉積液，並在通電過 程中進行電磁攪拌，碳化鈦納米顆粒沉積到基板表面形成彩色的TiC薄膜；
對形成的TiC薄膜用馬福爐進行熱處理，當TiC薄膜的顏色發生變化，即形 成具有可見光活性的含碳的Ti02薄膜；調節電泳時輸入電壓為10 30V，控 制電泳時間為0.5 10小時；電泳沉積液採用含有10 40g/L的納米碳化鈦的 懸濁液；採用馬福爐對碳化鈦薄膜進行熱處理，控制熱處理溫度為350 450 °C，氧化時間為0.5~6小時，致使TiC薄膜的顏色發生變化，形成具有可見 光活性的含碳的Ti02薄膜。
優選地，本發明中控制電泳時間為0.5 2小時；
優選地，本發明中控制電泳電壓為10 13.5V;
優選地，本發明中控制熱處理溫度350 40(TC;
優選地，本發明中控制熱處理時間1.5~3.0小時。
本發明所製備的含碳的Ti02薄膜具有較高的可見光活性，可用於可見光 光催化領域。
本發明所製備的含碳的Ti02薄膜具有較高的可見光活性，可用於可見光 光分解水制氫領域。
本發明所製備的含碳的Ti02薄膜具有較高的可見光活性，可用於太陽能 電池領域。
本發明所提供的具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的製備方 法，與現有技術相比，具有以下優點本發明方法採用電泳沉積設備簡單， 電泳沉積的溶液可以反覆使用，能實現生產過程的節能減排。


圖1為本發明製備方法過程示意圖。
圖2為不同電泳輸入電壓下TiC薄膜電泳沉積過程的電流-時間曲線。其
中
a.電泳輸入電壓為10.0V;
4b.電泳輸入電壓為13.5V。
圖3為實施例1中製得的含碳的Ti02薄膜電極可見光下短路光電流隨照 射/擋光的電流變化曲線。
圖4為TiC粉末、TiC薄膜以及TiC粉末經熱處理後得到的含碳的Ti02 的XRD譜。其中
a. TiC粉末；
b. 電泳沉積8小時的TiC薄膜；
c. TiC粉末經350。C熱處理2小時得到的含碳的Ti02;
d. TiC粉末經450。C熱處理2小時得到的含碳的Ti02。
圖5為實施例3中製得的含碳的Ti02薄膜電極可見光下短路光電流隨照 射/擋光的電流變化曲線。
圖6為含碳的Ti02薄膜電極在不同狀態的光照射下的電流-電位曲線。 其中
a. 擋光狀態下；
b. 可見光狀態下；
c. 白光狀態下，光電流數值縮減了10倍。
具體實施例方式
以下通過實施例更進一步地描述本發明，但不限於此。
室溫下通過電泳沉積方法在Ti片表面製備TiC薄膜，將清洗後Ti片固定在 電解池中，調節恆電位儀的電位為10.0V，電泳沉積液採用含10g/L的碳化鈦 懸濁液，電泳沉積2小時，電泳沉積過程的電流時間變化曲線如圖2中a曲線所 示。將得到的TiC薄膜在空氣氣氛中在35(TC下進行熱處理2小時，這時TiC薄 膜轉變為含碳的Ti02薄膜。圖3示出由本實施例中電泳沉積TiC薄膜在熱處理 後得到的含碳的TiCV薄膜的光電流，可以看到在可見光下的穩定短路光電流 為0.23jiA/cm2。
實施例2
室溫下通過電泳沉積方法在Ti表面製備TiC薄膜，將清洗後Ti片固定在電
5解池中，對電極採用金屬Pt片，調節直流穩壓電源電壓為30V，電極之間的 距離為lcm，電泳沉積液採用含40g/L的碳化鈦懸濁液，電泳沉積8小時，得 到TiC薄膜，將得到的TiC薄膜在空氣氣氛中在45(TC下進行熱處理2小時，這 時TiC薄膜轉變為含碳的Ti02薄膜。得到的TiC薄膜的XRD圖如圖4中b曲線所 示。從圖中可以清楚地看到碳化鈦的衍射峰，說明碳化鈦己經成功的沉積到 基片表面；同時圖4中c曲線所示為經350。C熱處理後的碳化鈦粉體的XRD譜， 可以看到銳鈦礦和金紅石晶型Ti02的生成以及部分沒有轉化的碳化鈦；圖4 中d曲線所示為經45(TC熱處理後的碳化鈦粉體的XRD譜，可以看到碳化鈦完 全轉化為銳鈦礦和金紅石晶型Ti02。
實施例3
室溫下通過電泳沉積方法在Ti片表面製備TiC薄膜，將清洗後Ti片固定在 電解池中，調節電壓為13.5V，電泳沉積液採用含10g/L的碳化鈦懸濁液，電 泳沉積2小時，電泳沉積過程的電流時間變化曲線如圖2中b曲線所示。將得到 的TiC薄膜在空氣氣氛中在35(TC下進行熱處理2小時，這時TiC轉變為含碳的 Ti02薄膜。圖5示出由本實施例中電泳沉積TiC薄膜在熱處理後得到的含碳的 Ti02薄膜的光電流，可以看到在可見光下的光電流為0.68 p A/cm2。圖6所示 為本實施例中所製得的含碳的Ti02薄膜不同狀態下的光電流-電位曲線，可以 看出本實施例中所製得的含碳的Ti02薄膜具有明顯的可見光響應。
權利要求
1、一種具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的製備方法，其特徵在於以碳化鈦納米粉為原料，先通過直流穩壓電源或恆電位儀作為輸入設備，利用納米碳化鈦的懸濁液作為電泳沉積液，並在通電過程中進行電磁攪拌，碳化鈦納米顆粒沉積到基板表面形成彩色的TiC薄膜；對形成的TiC薄膜用馬福爐進行熱處理，當TiC薄膜的顏色發生變化，即形成具有可見光活性的含碳的TiO2薄膜；調節電泳沉積時輸入電壓為10～30V，控制電泳時間為0.5～10小時；電泳沉積液採用含有10～40g/L的納米碳化鈦的懸濁液；採用馬福爐對TiC薄膜進行熱處理，控制熱處理溫度為350～450℃，氧化時間為0.5～6小時，TiC薄膜的顏色發生變化，形成具有可見光活性的含碳的TiO2薄膜。
2、 如權利要求1所述的製備方法，其特徵是控制電泳時間為0.5~2小時。
3、 如權利要求1所述的製備方法，其特徵是控制電泳電壓為10 13.5V。
4、 如權利要求1所述的製備方法，其特徵是控制熱處理溫度350 400°C。
5、 如權利要求1所述的製備方法，其特徵是控制熱處理時間1.5 3.0小時。
6、 如權利要求1所述方法獲得的薄膜材料在可見光光催化、光分解水制 氫或太陽能電池領域的應用。
全文摘要
本發明公開了一種具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的製備方法及其應用，該製備方法為以碳化鈦納米粉為原料，先通過直流穩壓電源或恆電位儀作為輸入設備，納米碳化鈦的懸濁液為電泳沉積液，並在通電過程中進行電磁攪拌，碳化鈦納米顆粒沉積到基板表面形成TiC薄膜；對形成的TiC薄膜用馬福爐進行熱處理，當TiC薄膜的顏色發生變化，即形成具有可見光活性的含碳的TiO2薄膜；電泳沉積時輸入電壓為10～30V，電泳時間為0.5～10小時；電泳沉積液採用含有10～40g/L的納米碳化鈦的懸濁液；熱處理溫度為350～450℃，氧化時間為0.5～6小時。本發明方法採用電泳沉積設備簡單，電泳沉積的溶液可以反覆使用，能實現生產過程的節能減排。
文檔編號B01J21/06GK101491755SQ200910046919
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月3日 優先權日2009年3月3日
發明者崔曉莉, 張曉豔, 蕾 朱, 顧君嗣 申請人:復旦大學