[發明專利]一種三層結構的摻鉬TiO2光催化薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201210350730.5
• 申請日: 2012-09-20
• 公開（公告）號: CN102836704A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 沈杰;羅勝耘;顏秉熙
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: B01J23/28
• 分類號: B01J23/28;B01J35/02;B01J37/34
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于光催化薄膜技術領域，具體涉及一種三層結構的摻鉬TiO₂光催化薄膜及其制備方法。?

背景技術

TiO₂作為一種重要的半導體材料，具有優良的光學、電學特性，加之耐光腐蝕能力強、化學、力學性能穩定、價格低廉及對人體無毒性等優點，因而在光電化學、太陽能電池、光催化分解水制氫、光催化降解污染物、自清潔玻璃等領域有著廣泛的應用前景。然而純TiO₂薄膜的光催化性能有限，且僅限于紫外光激發，因此對TiO₂薄膜進行摻雜改性是提高薄膜光催化性能的一個有效方法。然而目前幾乎所有的研究人員都遇到了同一個難題：雖然低摻雜濃度下的TiO₂薄膜在紫外光下的光生載流子分離效率高、光催化性強，但是薄膜在可見光下的光電性能并無明顯提高；高濃度摻雜能夠將薄膜的吸收光譜向可見范圍延展，然而過高的缺陷濃度造成的載流子復合會極大地降低TiO₂薄膜的光催化性能。因此盡管摻雜了各種不同的金屬材料，摻雜后的二氧化鈦薄膜在可見光下并未展現出令人滿意的光電、催化性能。為突破這一瓶頸，必須首先解決高濃度摻雜下提高載流子分離效率這一難題。已有研究表明[1]，外加電場可以顯著抑制載流子復合，不過至今為止實驗室所提供的電場多是來自于外加陽極偏壓、并非來自薄膜自身，故而實用價值有限。一些研究者采用溶膠-凝膠法制備了鎳[2]、鑭[3]的分層摻雜TiO₂薄膜，均發現內置電場對加快載流子分離有顯著作用，然而他們的方法工序復雜，又無法精確、動態地控制各層的摻雜濃度與膜厚，結構僅限于雙層薄膜，因而未充分體現出內建電場在加速載流子分離、提高薄膜光催化活性上的巨大潛能。

1.?H.?Yu,?X.?J.?Li,?S.?J.?Zheng,?G.?Xu,?Chin.?J.?Inorg.?Chem.?22,?978?(2006)

2.?K.?J.?Zhang,?W.?Xu,?X.?J.?Li,?S.?J.?Zheng,?G.?Xu,?J.?H.?Wang,?Trans.?Nonferrous?Met.?Soc.?China?16,?1069?(2006)?

3.?J.?W.?Cen,?X.?J.?Li,?M.?X.?He,?S.?J.?Zheng,?M.?Z.?Feng,?J.?Chin.?Rare?Earth?Soc.?23,?668?(2005)。

發明內容

本發明的目的在于提出一種具有高載流子分離效率、可用于工業生產的三層摻雜TiO₂薄膜的制備方法。

本發明的三層結構薄膜示意圖如圖1所示。其中，底層為高濃度摻鉬TiO₂薄膜，中間層為低濃度摻鉬TiO₂薄膜，頂層為純TiO₂薄膜。所謂高濃度摻鉬TiO₂薄膜，是指薄膜中Mo/Ti原子比為3%～10%；所謂低濃度摻鉬TiO₂薄膜，是指薄膜中Mo/Ti原子比為0.5%～3%。

本發明是利用射頻磁控濺射方法來制備三層結構的摻雜TiO₂光催化薄膜，三個濺射所用靶分別為高濃度鉬摻雜二氧化鈦陶瓷靶、低濃度鉬摻雜二氧化鈦陶瓷靶以及純二氧化鈦陶瓷靶。所制備薄膜以玻璃或金屬為基板，濺射時以Ar離子轟擊靶材，將高濃度摻雜層、低濃度摻雜層和未摻雜層分別依次沉積到基板上。

本發明的制備條件如下：

基板溫度為20~500℃。

射頻磁控濺射時使用氧氬混合氣體，總氣壓為0.1~1.0?Pa，其中O₂分壓占總氣壓比為0.1~10.0％。濺射功率10~50?kW/m²。

本發明中所用靶材為二氧化鈦陶瓷靶和摻鉬二氧化鈦陶瓷靶，其中低濃度摻鉬二氧化鈦陶瓷靶中Mo/Ti原子比0.5~3%，高濃度摻鉬二氧化鈦陶瓷靶中Mo/Ti原子比3~?10%。

本發明方法制得的三層摻鉬TiO₂薄膜總厚度為200~600?nm，其中底層膜厚度5~20?nm，中間層膜厚度為100~300?nm，頂層膜厚度為100~300?nm。

操作方法：

1.?在清洗干凈的基板上沉積高濃度摻鉬TiO₂薄膜底層膜；

2.?在底層膜上沉積低濃度摻鉬TiO₂薄膜中間層；