[发明专利]一种光催化TiO2/Cu2O复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化TiO₂/Cu₂O复合薄膜的制备方法，尤其适合于光催化制氢，属于材料、新能源、环境等技术领域。

背景技术

20世纪人类社会经济高速发展的同时也出现了环境污染、能源短缺、生态破坏等一系列重大问题。治理污染、保护环境、开发新能源、维持生态平衡和实现可持续发展已成为当今国际社会关注的重大课题。半导体光催化氧化技术的出现为解决这些难题开辟了思路，光催化技术在能源转换以及环境保护中的应用已经引起了人们的广泛关注。光催化材料在水和空气净化、抗菌、自清洁、超亲水性等方面已经取得初步成功，其应用市场也正在逐步形成。光催化材料还可以将水或某些有机物分解产生氢气，因为其只在太阳光的照射下就可以产生无碳燃料，所以可以说是能源转换中最清洁的一种。光催化材料还可以将CO₂还原成有用的化工原料尤其是化学燃料，对于改善环境具有极其重要的意义。

尽管光催化材料发展迅速，但是还存在一些问题限制了其实用化进程：(1)半导体光生电子-空穴对较高的复合几率导致了其量子效率低，总反应速率较慢；(2)多数半导体的宽禁带结构决定了其窄的光谱响应范围，只能吸收太阳光中的紫外线，导致了其低的太阳能利用率，例如纯TiO₂(锐钛矿型)的吸收带隙为3.2ev，吸收阈值是387nm，只能利用占太阳频谱范围4％的紫外光部分；(3)目前的材料负载技术难以保证光催化材料的高活性。

本申请人发明了一种微网格光催化剂的制备方法(ZL200710178395.4)，将两种半导体以微网格的方式在衬底上固定，这种复合方式能够拓宽吸收光谱，实现两种半导体与周围物质的均等接触机会，且实现电子和空穴的有效分离，从而能够使得太阳光照射下对染料废水具有很好的净化效果。但是该方法获得的复合光催化薄膜制氢性能有待提高。

本发明在前期研究的基础上进一步优化制备方法，发明一种有在太阳光照射下能分解纯水和含电子供体的水溶液而产氢的固定化复合光催化剂，将TiO₂和Cu₂O以底部为连续TiO₂薄膜，表面为Cu₂O微网格的形式在衬底表面固定，并通过优化制备工艺，修饰贵金属提高光催化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光催化TiO₂/Cu₂O复合薄膜制备方法，这种制备方式能够兼顾材料的固定化和高效率，并通过修饰Pt金属颗粒以提高其光催化制氢性能。

本发明的技术解决方案：一种光催化TiO₂/Cu₂O复合薄膜制备方法，具体如下：步骤(1)在衬底上制备TiO₂薄膜，薄膜的厚度为30～120nm；

步骤(2)在空气中热处理，处理温度为400～700℃；

步骤(3)在TiO₂薄膜表面制备一层有机中间模板层，该模板层为具有球状结构的有机模板，微球粒径为1～10μm；

步骤(4)在模板层表面沉积Cu₂O，厚度30-500nm。

步骤(5)去除模板层，获得TiO₂/Cu₂O复合薄膜，即TiO₂薄膜/Cu₂O微网格复合薄膜。

其中，为进一步提高其性能，可以进一步在TiO₂/Cu₂O复合薄膜中修饰Pt颗粒。

其中，步骤(1)所述的衬底是玻璃、石英、陶瓷、金属等平板型材料。

其中，步骤(1)所述的制备TiO₂薄膜采用溶胶浸渍-提拉法或旋涂法。

其中，所述的溶胶的制备工艺是：将钛酸四丁酯溶解到无水乙醇中形成0.2～0.6mol/L的浓度的溶液，用磁力搅拌器搅拌使其溶解分散均匀，然后向以上混合液中依次加入占上述溶液体积浓度为0.05～0.2％的盐酸、1～3％的乙酰丙酮和1～3％的水搅拌均匀，于50℃水浴环境陈化24小时，得到具有一定粘度的TiO₂溶胶。

其中，步骤(3)所述的模板层是用液面自组装法制备。

其中，步骤(4)所述的沉积Cu₂O是采用直流反应溅射法制备，直流反应溅射参数是：溅射功率50-70W，溅射气压0.8～1.5Pa，氧气和氩气的流量比6～12SCCM∶150SCCM，溅射时间2～7min。