[发明专利]一种可见光活性氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛光催化化工技术领域，具体涉及一种制备具有可见光活性氮掺杂纳米结构二氧化钛薄膜的新方法。

背景技术

从1972年发现半导体二氧化钛在紫外光照射下将水分解成氢和氧气以来，二氧化钛在材料领域受到了非常广泛的重视。TiO₂可用于光催化降解有机物、杀菌消毒、污水处理、空气净化、光分解水制氢等多个方面，目前，纳米TiO₂的制备方法研究已成为光催化新材料开发的一个十分活跃的课题。由于TiO₂的禁带宽度大(3.2eV锐态矿型，3.0eV金红石型)，对可见光的吸收差，极大的限制了其应用范围，通常采用掺杂金属或非金属的方式增加其可见光活性，目前报道的有非金属如C，N，S等元素的掺杂以及Fe，Cr，Sb和稀土元素多种金属元素的掺杂等。已经报道的氮掺杂纳米TiO₂薄膜的制备方法有多种，例如离子注入方法，在前驱体中引入NH₃，或在NH₃气氛中热处理TiO₂薄膜都可以得到氮掺杂纳米TiO₂薄膜。但这些方法存在一些缺点，如NH₃的毒性问题。本发明提出一种新的方法，通过热处理TiN薄膜制备可见光活性的氮掺杂的纳米TiO₂薄膜，方法简单，避免了使用有毒的NH₃。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备具有可见光活性的二氧化钛薄膜的新方法，

本发明提出的二氧化钛薄膜的制备方法，所用的原材料为氮化钛纳米粉。主要过程分为两步，第一步是采用电泳沉积或者磁控溅射方法制备氮化钛薄膜；第二步是对氮化钛薄膜进行热处理，控制热处理温度350℃～600℃，氧化时间为1-2小时，氮化钛薄膜的颜色发生变化，形成具有可见光活性的氮掺杂TiO₂薄膜。制备流程工艺如图1所示。

电泳沉积采用直流稳压电源或恒电位仪，电泳沉积氮化钛薄膜时，调节直流稳压电源或恒电位仪的输入电压在10～20V，控制电泳时间为0.5～10小时，电解液采用含5～20g/L的纳米氮化钛(TiN)的悬浊液，电泳沉积过程中对溶液进行磁力搅拌，在通电的过程中，TiN沉积在基板表面形成彩色的TiN薄膜。

将得到的TiO₂薄膜制作成电极，测试其在可见光下的光电活性。实验时光源为350W的氙灯，白光是经石英水槽滤掉红外光得到的；光功率密度为100mW/cm²；继续经滤光片滤去390nm以下的紫外光得到可见光，光功率密度为25mW/cm²。

实验表明，由本发明方法制备的氮掺杂二氧化钛具有良好的可见光活性。

1.在可见光照射下，以本发明制备的掺杂TiO₂表现出明显的光电压，如图2b所示，图2是氮化钛热处理后得到TiO₂电极的在白光(a)和可见光(b)照射下的光电压曲线。

2.在可见光照射下，以本发明制备的掺杂TiO₂表现出明显的光电流，如图3b所示，图3由电泳沉积TiN热处理后得到的含氮的TiO₂薄膜的在暗态(a)及可见光(b)和在白光(c)照射下的光电流-电位曲线。

光电压和光电流测试结果均表明由本发明制备的氮掺杂TiO₂具有明显的可见光响应，可在光催化、太阳能电池、光分解水制氢等方面得到应用。

另外，本发明方法不仅限于电泳沉积的TiN薄膜，通过磁控溅射得到的薄膜同样可以进一步热处理制备可见光活性的氮掺杂纳米二氧化钛薄膜。

本发明方法工艺简单，安全，环保，避免使用有毒的NH3。

附图说明

图1具有氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备过程示意图。

图2由电泳沉积TiN热处理后得到的含氮的TiO₂薄膜的在白光(a)和可见光(b)照射(light on)/挡光(light off)下的开路电压变化曲线。

图3由电泳沉积TiN热处理后得到的含氮的TiO₂薄膜的在暗态(a)及可见光(b)和在白光(c)照射下的光电流-电位曲线。光源为350W的氙灯，白光是经石英水槽滤掉红外光得到的；继续经滤光片滤去390nm以下的紫外光得到可见光。白光下的光电流缩小了10倍，以便三条曲线放在一起。