[發(fā)明專利]具有可見光活性的碳氮改性納米二氧化鈦薄膜的制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010203358.6
• 申請(qǐng)日: 2010-06-18
• 公開（公告）號(hào): CN101844077A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡偉民;吳亞惠;龍明策
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J21/06
• 分類號(hào): B01J21/06;B01J21/18;B01J27/24;B01J37/10
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種納米技術(shù)領(lǐng)域的薄膜的制備方法，具體涉及的是一種具有可見光活性的碳氮改性納米二氧化鈦薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

從1972年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二氧化鈦(TiO₂)在紫外光照射下將水分解成氫和氧氣以來，基于二氧化鈦的光催化技術(shù)與光電化學(xué)等方面的研究一直十分活躍，被廣泛應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換太陽能電池的開發(fā)、氣體傳感器、太陽能分解水制氫氣、污水及廢氣的光催化降解、光催化殺菌、自清潔及防霧等多個(gè)方面。

二氧化鈦成本低、無二次污染、性能穩(wěn)定，且驅(qū)動(dòng)光催化反應(yīng)的動(dòng)力來自于清潔的光能。國(guó)際上，尤其是在日本，基于紫外光或太陽光中的紫外光成分的光催化材料和器材已開始在建筑外墻，家用電器，飲用水的深度凈化上得到應(yīng)用。專利申請(qǐng)?zhí)枮椋?00710108382.X的中國(guó)專利報(bào)道了一種多孔二氧化鈦光催化薄膜的方法，對(duì)光催化劑薄膜的處理集中在表面形貌的改變上。對(duì)薄膜進(jìn)行表面形貌的改變雖然可以一定程度上提高薄膜的光催化能力，但是二氧化鈦的禁帶寬度較大(Eg＝3.0-3.2eV)，只能被400nm以下的紫外光激活，薄膜最終仍然需要紫外光源的激發(fā)才能顯示出光催化性能，對(duì)于占太陽光46％的可見光沒有吸收能力。研究開發(fā)具有可見光活性的二氧化鈦薄膜，提高薄膜對(duì)太陽光的利用率，對(duì)于半導(dǎo)體二氧化鈦的應(yīng)用技術(shù)具有非常重要的意義。

為了提高二氧化鈦薄膜對(duì)可見光的利用率，已經(jīng)進(jìn)行過許多嘗試，如利用有機(jī)染料敏化、通過貴金屬(銀、鉑)修飾以及過渡金屬(如釩、鎢、鉻、鐵)和非金屬(氮，碳)摻雜等。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請(qǐng)?zhí)枮椋?3140525.8，專利名稱為：含氮的二氧化鈦光催化薄膜及其制備方法，該專利公開了一種在02/N2反映其體重，采用磁控濺射法制備的含氮二氧化鈦薄膜，但該方法設(shè)備工藝復(fù)雜，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種具有可見光活性的碳氮改性納米二氧化鈦薄膜的制備方法。制得的薄膜具有良好的可見光光催化活性，薄膜表面形成的規(guī)整納米結(jié)構(gòu)使得薄膜比表面積大，與基底結(jié)合牢固。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括步驟如下：

步驟1、將金屬鈦表面用砂紙打磨以去除天然氧化層，然后在熱草酸溶液中刻蝕，再超聲洗凈并干燥，得到表面潔凈的金屬鈦。

步驟2、將上述清洗后干燥的金屬鈦，經(jīng)過過氧化氫溶液腐蝕，在金屬鈦表面形成過氧鈦酸納米花狀薄膜。

步驟3、將表面形成過氧鈦酸納米薄膜的金屬鈦用去離子水清洗，然后和去離子水一起加入水熱反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，金屬鈦表面形成二氧化鈦納米薄膜。

步驟4、將表面形成二氧化鈦納米薄膜的金屬鈦和尿素分別放置在反應(yīng)器兩端并放入馬弗爐中，給定溫度范圍內(nèi)焙燒，獲得在金屬鈦表面形成的改性二氧化鈦納米線薄膜。

所述的金屬鈦可以是金屬鈦片、金屬鈦絲、金屬鈦網(wǎng)等金屬鈦加工的各種形狀的部件，通過本方法，表面均可以形成具有可見光活性的改性二氧化鈦納米線薄膜。

所述的熱草酸溶液為：5wt％草酸溶液，刻蝕時(shí)溫度在80℃-100℃，刻蝕時(shí)間為0.5-2小時(shí)，一般來說溫度越高，需要的刻蝕時(shí)間越短，采用沸騰的上述草酸溶液刻蝕，時(shí)間僅需0.5小時(shí)。刻蝕完的鈦金屬可常溫保存在1wt％草酸溶液中保持其表面不在空氣中鈍化。

所述的過氧化氫溶液為3％-10％過氧化氫溶液，氧化時(shí)間為8-24h。

所述的尿素按比例定量，每平方厘米的薄膜面積對(duì)應(yīng)0.25g尿素。

本發(fā)明制備所得的薄膜由二氧化鈦納米棒堆積而成并具有較為規(guī)整的結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的溶膠凝膠法制的薄膜具有更大的比表面積，可見光活性是摻入二氧化鈦晶格中的氮摻雜與表層有機(jī)聚合物(含氮元素)敏化的共同作用。本發(fā)明所用的反應(yīng)器為開有小孔的玻璃容器或者其他耐熱容器，孔徑在1-5mm，為了便于加入原料，上述容器可由兩部分組裝而成，反應(yīng)時(shí)鈦片和尿素分別放入反應(yīng)器兩部分，并組裝在一起放入馬弗爐中進(jìn)行焙燒。

本發(fā)明所制備的改性二氧化鈦薄膜具有良好的納米結(jié)構(gòu)，使得比表面積增大。可用于光催化或光電催化降解有機(jī)污染物、自清潔表面等。本發(fā)明所采用的制備方法工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)原料豐富，成本較低，具有廣闊的應(yīng)用空間。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1制備的過氧鈦酸納米花狀薄膜的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡照片。

圖2是實(shí)施例2制備的二氧化鈦薄膜的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡照片。

圖3是實(shí)施例3制備的改性二氧化鈦納米薄膜的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡照片。

圖4是實(shí)施例4制備的改性二氧化鈦納米薄膜的紫外-可見漫發(fā)射吸收光譜圖。

具體實(shí)施方式