[發明專利]一種氮、鉍共摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法

無效

• 申請號: 200810030500.4
• 申請日: 2008-01-16
• 公開（公告）號: CN101219373A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發明（設計）人: 楊華明;張向超;唐愛東
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;B01J23/18;B01J27/24;B05D7/24;C03C17/23
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明屬于無機功能材料的制備及應用領域，涉及共摻雜二氧化鈦薄膜的制備，特別是一種氮、鉍共摻雜二氧化鈦(N-Bi/TiO₂)薄膜的制備方法。

背景技術

二氧化鈦(TiO₂)是一種新型的無機功能材料，其表現出優異的光催化活性、光電特性、熱導性能和化學穩定性等物理化學特性，廣泛應用于太陽能電池、催化劑、傳感器、化妝品、功能陶瓷、油漆涂層、生物醫學等。隨著人們對TiO₂認識的不斷深入，其應用也不斷得到拓展。但由于粉末狀的納米TiO₂顆粒細微，水溶液中易于凝聚，不易沉降，催化劑難以回收，活性成分損失大，不利于催化劑的再生和再利用，而通過TiO₂光催化劑的固載則既可以解決其分離回收難的問題，又能克服懸浮相催化劑穩定性差和容易中毒的缺點，是使其廣泛應用的有效途徑。制備納米TiO₂薄膜既具有固定催化劑的優點，又由于其尺寸細微而具有納米效應，因而具有理論研究和實際應用價值。

TiO₂由于禁帶寬度E_g較大：銳鈦礦為3.2eV，金紅石為3.0eV，這分別相當于388nm和414nm波長的光子能量，當光子能量高于半導體吸收閾值的光照射半導體時，才能使價帶中的電子發生躍遷，價帶上的電子受激發躍遷到導帶，在價帶與導帶間形成電子-空穴對。雖然TiO₂被激發產生的電子-空穴對具有很高的氧化能力，使其具有較好的光催化性能，但其在實際應用中也存在一些缺陷：(1)TiO₂光吸收僅局限于波長較短的紫外光區，對太陽光的吸收尚達不到照射到地面太陽光譜的5％，限制了對太陽能的利用；(2)光生載流子(h+，e-)很易重新復合，降低了光電轉換效率，從而影響了光催化的效率。如何提高TiO₂光催化劑的光譜響應、光催化量子效率、光電轉換效率及光催化反應速度是TiO₂半導體光催化技術研究的中心問題，也是TiO₂實用化過程中必須解決的關鍵問題。

TiO₂性能的改善主要是提高其光生電子-空穴對的產額，同時抑制電子-空穴對的重新復合。為此，可采用過度能帶加速電子-空穴對的分離，幫助電子傳輸到導帶；通過摻雜在TiO₂中形成電子或空穴的捕獲中心，減小電子與空穴間的復合幾率，或改變銳鈦礦或金紅石結構的結晶性從而提高對紫外光的靈敏度。為了提高TiO₂的光催化活性，人們采用各種手段對TiO₂進行改性，包括半導體表面修飾，表面螯合或衍生，貴金屬沉積，表面敏化，金屬離子摻雜，非金屬摻雜和半導體材料復合等。

在TiO₂體系中摻雜Fe和W等金屬離子，或制備負載型TiO₂催化劑均可提高其光催化活性。近年來，陰離子摻雜體系也受到了很大關注，如S和C等陰離子摻雜可以通過雜化作用在TiO₂的禁帶中形成雜質能量態從而縮小TiO₂禁帶寬度，促進TiO₂對可見光的吸收，并提高了光催化性能。研究發現B的摻雜能促使TiO₂的吸光曲線發生紅移，繼續摻雜Ni后發現，TiO₂的光催化活性得到極大的提高。N-F共摻雜的TiO₂體系的催化活性高于單組分摻雜體系。可見，對TiO₂進行雙組分或多組分摻雜，由于各組分間的協同作用，有可能得到具有可見光響應的高活性TiO₂基功能材料。

發明內容

本發明的目的在于改善TiO₂基薄膜的光電、光催化等特性，提供一種氮、鉍共摻雜TiO₂薄膜的制備方法，為提高TiO₂基薄膜在可見光條件下的光電、光催化等性能提供新思路。

上述薄膜的厚度一般為30納米至800納米。

本發明利用溶膠-凝膠法制備氮、鉍共摻雜TiO₂溶膠，再采用浸漬提拉法在基片上制得一定厚度的預制膜，預制膜在一定溫度焙燒后得到氮、鉍共摻雜TiO₂薄膜。上述制備氮、鉍共摻雜TiO₂薄膜的具體步驟如下：

(1)配制氮、鉍共摻雜TiO₂溶膠