[发明专利]一种光电催化薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜及其制备方法，具体地，涉及一种光电催化薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，半导体纳米材料光催化的研究得到了广泛的关注。纳米二氧化钛薄膜作为一种重要的功能材料，在太阳能的储存与利用、光化学转换及有机污染物的环境处理等方面有重要的应用前景。纳米二氧化钛薄膜的制备方法众多，其中目前研究较多的是以溶胶-凝胶法为基础的薄膜制备方法。这种方法的优点是容易大面积成膜且可被固定在复杂形状的基体上，目前采用溶胶-凝胶法在普通玻璃表面制备薄膜已有文献报导。该类方法均采用钛酸丁酯等前驱体为原料，利用溶胶-凝胶法过程制备二氧化钛溶胶，并进行涂敷，从而制备二氧化钛薄膜。

虽然二氧化钛具有催化活性高、性质稳定、耐腐蚀和无毒等优点，但在应用中也存在着一些问题。由于二氧化钛禁带能隙较宽，只能吸收波长小于387纳米的光，因此只有在紫外光照射下才显示光催化活性，而对可见光的响应很弱。紫外光辐射对人体有害，而且一般的使用环境不具备较强紫外光照射条件，可见光照射却容易实现，因为太阳光主要成分即为可见光，紫外光成分只占5％。由于其无法利用占太阳光主要能量的可见光部分，同时光电转化效率不高，因此，最近几年研究集中在对二氧化钛进行掺杂改性或敏化，使其在可见光区具有较强的吸收，即提高其可见光响应。

例如，郭兴忠等的中国专利申请200810120065.4公开了一种多元素共掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备方法，该方法包括：在二氧化钛溶胶中加入硝酸铁、硝酸银和盐酸胍，搅拌后陈化，涂膜烘干，350-450℃温度下热处理1小时。采用该专利方法制备的二氧化钛薄膜具有可实现紫外光吸收的红移、光催化的可见光响应和无光照抗菌等功能。然而，该技术存在如下两个缺点：单纯以溶胶凝胶浸渍提拉法制备的薄膜与玻璃粘结性差，极易脱落；该方法的溶胶需陈化10天以上，制备周期很长。

例如，翁文剑等的中国专利申请200710068220.8公开了一种稀土掺杂的二氧化钛薄膜，该薄膜中钛元素和稀土元素的摩尔百分含量为：钛元素85％～99％，稀土元素15％～1％。该薄膜的制备采用常压热分解化学气相沉积法，将前驱体组合物沉积到玻璃基板上。尽管该技术可以拓宽二氧化钛光响应波段，但其所阐述的光催化效率提高较为有限，最高提高仅为40％。

例如，雷乐成等的中国专利申请200910156958.9公开了一种氟、硼共掺杂二氧化钛纳米管薄膜光电极及其制备方法，该薄膜电极包括钛片衬底和原位生长在钛片衬底上的氟硼共掺杂二氧化钛纳米管薄膜层。该电极的制备主要采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管，然后以化学气相沉积的方法将氟、硼共掺杂到二氧化钛纳米管层中。然而，该技术缺点在于：阳极氧化法制备较复杂，需要外接电源辅助，增加了能耗，成本较高；后期氟、硼掺杂使用了较危险的氟化物。

SinaSaremi-Yarahmadi等在Materials Letters，2009，63，523-526中也提出了一种以化学气相沉积技术制备三氧化二铁薄膜的方法。该制备方法是以二茂铁或羰基铁为前驱体，在160℃油浴加热条件下以氩气为载气送入反应室，在400℃反应沉积一层三氧化二铁薄膜。该技术的缺点在于：使用装置较为繁复，需要油浴控制前驱体温度，并且需要以氩气为载气传送挥发物，增加成本和操作复杂性；为了避免三氧化二铁导电性不佳的缺点，上述技术制备的薄膜面积很小，不利于产业化生产。

因此，期望一种能够解决在将催化剂固定化的同时，尽可能提高其光电催化活性，以及将其光响应拓展到可见光范围以期更加充分的利用太阳能的光电催化薄膜，以及制备这样一种光电催化薄膜的方法。

发明内容

因此，本发明要解决的问题是提高光电催化薄膜的可见光响应、改善薄膜与衬底的粘结性、提高光催化效率、降低生产成本等。为此，本发明人进行了深入的研究而取得了本发明的成果。本发明主要涉及如下几个方面：

<1>一种光电催化薄膜，所述光电催化薄膜包括：导电衬底；以及，层压在所述导电衬底的一侧上的一层或多层的二氧化钛层和一层或多层的三氧化二铁层，其中所述二氧化钛层和所述三氧化二铁层是彼此交替布置的，并且最靠近导电衬底的层是二氧化钛层，最远离导电衬底的层是三氧化二铁层。

<2>根据<1>所述的光电催化薄膜，所述三氧化二铁层完全覆盖下面的二氧化钛层。

<3>根据<1>所述的光电催化薄膜，所述导电衬底是FTO导电玻璃、铁片或钨片。