[发明专利]一种三元TiO2薄膜的制备方法

说明书

技术领域  

本发明涉及一种三元TiO₂薄膜的制备方法，属于光催化领域。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)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在可见光区具有较强的光催化活性，并且克服了金属离子掺杂的缺陷，从而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。

渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。

微弧氧化技术（Micro-arc oxidation，MAO）又称等离子体氧化或阳极火花沉积，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Al、Mg、Ti、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。微弧氧化技术采用较高的工作电压，将工作区域由阳极氧化法的法拉第区域引入到高压放电区域，这是对现有阳极氧化理论的突破。目前关于微弧氧化机理方面的研究已提出了一整套完整的理论，并已成功应用于许多工业领域。

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，提供一种同时进行氮原子掺杂及La₂O₃复合的三元TiO₂薄膜的制备方法，所制得的三元TiO₂薄膜光催化效果显著提高。

本发明为解决上述技术问题所提供的技术方案是：首先采用气相渗氮工艺对抛光后的金属钛表面进行渗氮处理，之后再采用微弧氧化技术在渗氮后的金属钛表面原位生长La₂O₃，得到同时掺杂氮和复合La₂O₃的三元TiO₂薄膜。

上述技术方案，具体依次包括如下步骤：

1、气相渗氮：将抛光处理后的金属钛放入通有氨气的高温炉中，控制温度500~800℃，恒温时间5~15 h，在金属钛表面形成一个渗氮层；

2、微弧氧化：将表面渗氮处理后的金属钛作为阳极材料，不锈钢板作为阴极材料，置于电解液中，并向电解液中均匀分散5~30 g/L的La₂O₃粉末，电解液温度控制在40℃以下；在200~400 V脉冲电压下作用5~60 min，在金属钛表面生成同时掺杂氮和复合La₂O₃的三元TiO₂薄膜。

所述气相渗氮步骤中，待温度下降到100~180℃再取出金属钛。

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15~30 g/L，九水硅酸钠的质量浓度为5~15 g/L。

本发明在掺杂氮的基础上，对金属钛进行微弧氧化工艺处理，同时复合稀土氧化物氧化镧（La₂O₃）。复合稀土氧化物La₂O₃的原因在于：La³⁺具有不完全的4f轨道和空的5d轨道，易产生多电子组态，在光催化过程中，可以有效地抑制光生电子和光生空穴的复合，且稀土离子的基态和激发态能量比较接近，在可见光区能吸收部分可见光，使f轨道的电子从基态跃迁至激发态。La₂O₃与TiO₂的复合还具有减小其晶体生长速度，提高比表面积，增强其对有机物吸附能力，从而提高其光催化活性的作用。

本发明方法所制备的同时掺杂氮和复合La₂O₃的三元TiO₂薄膜可用于光催化净化领域。