[发明专利]一种增强光催化效应的阵列化活性薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光催化剂的制备技术领域,具体涉及一种具有阵列化结构的二氧化钛/碳纳米管/硅柱阵列光催化复合薄膜，同时还涉及其制备方法及应用。

背景技术

快速发展的科学技术在带给人们丰富物质生活的同时，也导致了环境污染问题的日益严峻。虽然实际生产应用中已有不少处理污染问题的方法, 但由于其本身的局限性, 对于一些有毒、难降解的生化废水, 如农药、制药、造纸和染料等企业所排放的污水仍缺乏行之有效的技术方法。半导体光催化技术却可以解决这一难题。

由于光催化材料可以在室温下直接利用太阳光降解多种有毒有害污染物，其环境友好、不会造成二次污染、反应条件温和、成本低等特点使其具有极其广阔的应用前景，日益受到国内外学者的广泛关注。目前，所研究的催化剂多为过渡金属半导体化合物，如TiO₂、ZnO₂、CdS和WO₃等。其中，TiO₂材料因光催化活性高，性质稳定，无毒且材料廉价，成为当前最具有应用潜力的光催化剂。与粉体催化剂相比，TiO₂光催化薄膜在实际应用具有利用效率高、不易聚集，易于回收等优点，因而具有更好的应用价值。但现有氧化钛薄膜制备技术仍存在制备工艺较复杂，结晶度较低，薄膜活性比表面积较小，膜与基底结合牢固度较差等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强光催化效应的阵列化活性薄膜的制备方法，该制备方法简单、重复性好、结晶度高、膜与基底具有极强结合能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种增强光催化效应的阵列化活性薄膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）将电阻率小于3.0 Ω·cm的P型单晶硅片置入高压釜内，然后向高压釜内填充腐蚀液，在100～200℃下腐蚀30～60分钟，制备得到硅柱阵列(Si-NPA)；

（2）将新鲜制备的硅柱阵列(Si-NPA)放入二茂铁的乙醇溶液中浸润20~30min，然后置于卧式管式炉内，在氮气保护下升温至760~800℃，以氮气作为载气将乙二胺按1～1.5 mL/min带至炉内于760~800℃下通过预浸润催化剂原位生长碳纳米管10min，氮气保护下降至室温，得到碳纳米管/硅柱阵列(CNT/Si-NPA)；

（3）将碳纳米管/硅柱阵列(CNT/Si-NPA)作为衬底固定于高真空磁控溅射镀膜机的样品架上，样品架与纯度为99.99%的Ti靶之间的距离为65mm，采用直流反应磁控溅射法在碳纳米管/硅柱阵列上制备出TiO₂薄膜，得到具有颗粒状、附着性能好、结晶度高、具有增强光催化效应的阵列化活性薄膜(TiO₂/CNT/Si-NPA)。

所述步骤（1）中的腐蚀液由浓度为8.00～15.00mol/L的氢氟酸和浓度为0.02～0.08mol/L的硝酸铁水溶液组成。

所述步骤（1）中的腐蚀液在高压釜内的体积填充度为60～90%。

所述步骤（2）中二茂铁的乙醇溶液的浓度为0.002 mol/L。

所述步骤（3）中采用直流反应磁控溅射法在碳纳米管/硅柱阵列上制备出纳米TiO₂薄膜的方法为：在氩气气氛下升温至100℃～200℃，之后向反应腔内通入氧气和氩气比例为1:4～1:6的混合气体，氧气和氩气的混合气体总流量为30～50sccm，衬底温度为100～400℃，溅射气压为0.5～2Pa，电流为1～2A，溅射时间1～2h。

所述步骤（3）中高真空磁控溅射镀膜机为CS-300型高真空磁控溅射镀膜机。

所述的增强光催化效应的阵列化活性薄膜的应用，该阵列化活性薄膜在12W的265nm+365nm的紫外光共同作用下，光催化常数可以达到0.0033，远大于同样磁控溅射条件下沉积在单晶硅平面上二氧化钛薄膜的0.0011。