[发明专利]一种制备氮掺杂TiO2光催化薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氮掺杂二氧化钛(TiO₂)光催化薄膜的方法及用途。

背景技术

二氧化钛是一种宽禁带半导体，其禁带宽度为3.2eV(锐钛矿)，只有在紫外光的激发下才能表现出光催化活性。能够利用太阳能中大量的可见光部分是研究TiO₂光催化剂的一个重要目标。阴离子掺杂的TiO₂由于其在可见光区的光催化活性、并且克服了金属离子掺杂的缺陷引起了众多科研工作者的关注。其中氮掺杂被认为是最有效的方法之一。

一般来说，TiO₂光催化材料的氮掺杂分为间隙式和置换式两种，间隙式氮原子存在于TiO₂晶格的空隙中，不稳定且容易脱落；而置换式氮掺杂是氧原子取代氮原子进入晶格的过程，少量未被氧化的氮原子仍处于钛晶格中，可获得氮掺杂量较高的TiO₂。TiO₂光催化材料的氮掺杂主要是通过化学气相沉积、溶胶-凝胶、热氧化磁控溅射、阳极氧化等技术实现的，但不论获得的是间隙式还是置换式氮原子，存在的主要问题是很难获得氮掺杂量较高的TiO₂，从而对其光催化效率提高有限。

离子渗氮又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的，具体工艺为：把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮、氢原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击，工件表面产生原子溅射。由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。离子渗氮具有渗氮周期短，所需温度低，过程可控等特点。

微弧氧化(Micro-arc oxidation，MAO)技术是一种在有色金属表面原位生长多孔、致密陶瓷膜的新技术，且膜层与基体间结合紧密。具体过程是将Ti、Al、Mg、Zr、Ta、Nb等阀金属或其合金置于电解质水溶液中，利用电化学方法，在该材料的表面微孔中产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下生成陶瓷膜层。利用MAO技术可以在钛或钛合金表面“原位”制备出TiO₂光催化薄膜。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种氮掺杂量较高的TiO₂薄膜的制备方法。

本发明为解决上述技术问题所提供的技术方案是：首先采用离子渗氮工艺对金属钛或钛合金表面进行渗氮处理，之后再采用微弧氧化技术在渗氮后的金属钛或钛合金基体表面上原位生长氮掺杂TiO₂薄膜。

上述技术方案，具体包括如下步骤：

1、离子渗氮：选择抛光处理后的金属钛或钛合金放入通有氨气的离子渗氮炉中，炉腔保持负压；金属钛或钛合金作为阴极材料，炉体作为阳极材料，在阴阳极间施加电压产生辉光放电作用，控制温度700～900℃，恒温时间5～15h，在金属钛或钛合金表面形成一个渗氮层；

2、微弧氧化：把表面渗氮处理后的金属钛或钛合金作为阳极，不锈钢板作为阴极材料，置于电解液中，电解液温度控制在40℃以下；在200～400V脉冲电压下作用5～60min，在金属钛或钛合金基体表面生成氮掺杂TiO₂薄膜。

所述离子渗氮步骤中，待温度下降到100～180℃再取出钛或钛合金。

所述微弧氧化步骤中，所述电解液为无水碳酸钠和九水硅酸钠的混合溶液，其中无水碳酸钠的质量浓度为15～30g/L，九水硅酸钠的质量浓度为5～15g/L。

本发明方法所制备的氮掺杂TiO₂薄膜可用于光催化净化领域。

本发明方法首先利用离子渗氮工艺在钛或钛合金表面形成一个具有较高浓度的渗氮层，然后再对其进行MAO处理，获得了高浓度的“置换式”氮掺杂TiO₂薄膜，从而提高了光催化性能。与未进行氮掺杂的TiO₂薄膜相比，对紫外光和可见光的吸收效率明显提高，且具有明显红移现象，这与采用离子渗氮工艺结合微弧氧化(MAO)技术向金属钛的晶格中引入10％左右置换式氮原子有关。光生电流强度明显增强，降解有机污染的降解效率显著提高。另外本发明方法工艺简单，制备过程易于控制，生产效率高，对环境污染小。总之，本发明具有有益的效果。

附图说明

图1为实施例1制备的氮掺杂TiO₂薄膜的扫描电镜(SEM)图；

图2为实施例2制备的氮掺杂TiO₂薄膜的X-射线光电子能谱(XPS)图；