[发明专利]一种可见光活性的锑掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米二氧化钛薄膜制备技术领域，具体涉及一种具有可见光活性的Sb掺杂的二氧化钛薄膜的制备方法。

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、氢能制备等多个方面，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非常活跃的课题。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和稀土元素以及其他多种金属元素的掺杂等。

已经报道的Sb掺杂纳米TiO₂薄膜的制备方法有许多种，例如溶胶-凝胶方法，在前驱体中引入SbCl₃[1，2]，或通过反应磁控溅射方法都可以得到Sb掺杂纳米TiO₂薄膜[3，4]。但这些方法存在一些缺点，如溶胶-凝胶方法涉及较多的化学药品，操作步骤较繁琐、制备周期长；反应磁控溅射方法涉及的设备昂贵，能耗较高。

本发明提出一种新的方法，通过热处理的方法制备具有可见光活性的Sb掺杂的TiO₂薄膜，工艺简单，可避免使用昂贵的设备，符合节能减排的原则，为二氧化钛的制备与应用开辟新的思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、设备便宜的具有可见光活性的Sb掺杂的二氧化钛薄膜的制备方法。

本发明提出的制备Sb掺杂的二氧化钛薄膜的方法，所用的原材料为金属钛片或Ti薄膜，以及Sb₂O₃粉末。通过热处理的方法制备Sb掺杂的纳米TiO₂薄膜，即在SbO₃粉末存在的情况下，在一定的温度下焙烧氧化金属Ti片或Ti薄膜，得到Sb掺杂的二氧化钛薄膜。通过控制热处理温度和时间来控制薄膜的厚度以及Sb的掺杂量。

优选地，本发明中制备Sb掺杂的二氧化钛薄膜控制的温度为400-450℃，焙烧时间0.5～1.5小时。太高的温度或过长的热处理时间将导致Sb的过量掺杂而降低其可见光活性。

实验表明，由本发明提出的方法制备的Sb掺杂二氧化钛半导体薄膜具有可见光活性，制备方法简单。并可避免使用昂贵的设备，降低制备成本。

1.在可见光照射下，以本工艺制备的Sb掺杂TiO₂薄膜表现出明显的阳极光电流，焙烧温度为400℃，焙烧时间为1小时时，得到的Sb掺杂TiO₂薄膜电极短路光电流密度为0.086μA.cm^-2，无掺杂的TiO₂薄膜电极的可见光光电流为0.062μA.cm^-2如图3所示。焙烧温度为420℃时，得到的Sb掺杂TiO₂薄膜电极短路光电流密度为0.13μA.cm^-2，无掺杂的TiO₂薄膜电极的可见光光电流为0.07μA.cm^-2。如图4所示。结果表明由该新工艺制备的纳米TiO₂薄膜对可见光表现出增强的光电响应，有望在太阳能光电转换和光催化分解水方面得到应用。

2.薄膜的XPS测试表明，以本工艺制备的TiO₂薄膜含有Sb元素，如图5所示。

3.薄膜的SEM测试表明，以本工艺制备的Sb掺杂的TiO₂薄膜为表面呈现纳米结构，如图6所示。

附图说明

图1Sb掺杂的二氧化钛薄膜的制备过程示意图。a为干净的Ti片；b为有Sb₂O₃的瓷舟；c为制备过程，干净的Ti片覆盖在有Sb₂O₃的瓷舟上进行焙烧；d为Ti片接触瓷舟内Sb₂O₃的部分生成Sb掺杂的TiO₂；外侧为未掺杂的TiO₂。

图2制备的样品的实物图。A，掺杂Sb的TiO₂薄膜(中间部分)；B，单纯Ti热处理得到的TiO₂薄膜，样品制备条件：450℃焙烧1小时。