[发明专利]一种具有可见光活性的硅掺杂二氧化钛薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于催化化工技术领域，具体涉及一种硅掺杂纳米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电极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，由于TiO₂的禁带宽度较大（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。目前，可见光活性的纳米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。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，Si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。其中硅掺杂改性是提高TiO₂ 光催化活性的重要手段之一。

已经报道的硅掺杂纳米TiO₂薄膜的制备方法有多种，王韵芳[]采用两步水解溶胶–凝胶法获得Si 掺杂TiO₂粉体。步骤如下：(1)将等体积的正硅酸乙酯与无水乙醇相混合，将一定量的HCl 水溶液加入上述溶液中于70 ℃回流1 h 后得到白色的硅胶；(2)将摩尔比为1:0.55 的钛酸四丁酯和乙酰丙酮在无水乙醇中混合，在剧烈搅拌下将混合溶液滴入硅胶中，并加入一定量的HCl水溶液。所得混合液于室温下继续搅拌2 h，于60 ℃凝胶后在80 ℃下真空干燥24 h，经研磨后于600 ℃下焙烧3 h，即可得到Si 掺杂TiO₂粉体。Ismail 等[]采用钛硅复合氧化物对水中氰化物降解的研究中发现比表面积的增加是造成光催化活性提高的主要原因。Chen 等[]研究了钛硅复合氧化物对染料废水的降解，结果表明，催化剂对有机物的吸附作用是使催化剂活性提高的原因所在。包南等[]利用溶胶–凝胶法制备了Si 掺杂TiO₂纤维并研究了硅掺杂TiO₂纤维对活性艳红X–3B 的降解行为，认为硅的掺杂有利于提高催化剂的表面酸性，抑制TiO₂的晶相转变及晶粒长大，从而使催化剂活性提高。陈其凤等[]以降解罗丹明B为对象研究了铈掺杂的钛硅复合催化剂的光催化活性，研究表明硅对催化剂的表面积及表面酸性的贡献最大。已经报道的溶胶-凝胶方法的制备Si 掺杂TiO₂涉及的过程复杂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种所用设备简单，且节能环保的制备具有可见光活性的硅掺杂纳米二氧化钛薄膜的方法。

本发明提出的具有可见光活性的硅掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备方法，所用原材料为金属钛和二氧化硅粉体，并采用“氧化物浴”方法，即通过在TiO₂中热处理金属钛的方法制备得可见光活性的硅掺杂二氧化钛薄膜。主要设备是马福炉，制备流程工艺如图1所示。

马福炉用于热处理金属钛，控制热处理温度为400oC ~ 550oC，氧化时间为0.5-15小时，形成具有可见光活性的硅掺杂二氧化钛薄膜（即TiO₂-Si薄膜）。硅的掺杂量可以通过XPS 进行分析，热处理的时间和热处理时的温度均影响硅的掺杂量，提高热处理温度和增加热处理时间都会增加硅的掺杂量，但过多的Si掺杂反而会降低样品的光催化降解活性，优选硅的掺杂量为TiO₂质量的0.5%-2.0%，最优选硅的掺杂量为1%。

将得到的TiO₂-Si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500W的氙灯，首先经石英玻璃水槽滤掉红外光得到白光；光功率密度为145mW/cm²；然后继续经滤光片滤去400nm以下的紫外光得到可见光，光功率密度为25 mW/cm²。

实验表明，由本发明提出的方法制备的硅掺杂二氧化钛具有良好的可见光活性。

在可见光照射下，以本发明方法制备的TiO₂-Si表现出明显的光电流响应，如图2和图3所示。图2和图3分别是不同温度热处理后得到的TiO₂-Si薄膜和未掺杂的TiO₂薄膜在可见光照射下的光电流曲线。

光电流测试结果表明，由本发明方法制备的硅掺杂TiO₂具有明显的可见光响应，有望在可见光光催化、光分解水制氢、太阳能电池等方面得到应用。