[發明專利]一種鉬碳共摻二氧化鈦光催化薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201310271709.0
• 申請日: 2013-07-01
• 公開（公告）號: CN103394376A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 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: B01J37/34
• 分類號: B01J37/34;B01J27/22
• 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，具體涉及一種鉬碳共摻二氧化鈦(Mo/C?-TiO₂)光催化薄膜的制備方法。

背景技術

TiO₂作為一種優秀光電催化材料受到了廣泛關注。但是3.2?eV的能帶寬度(銳鈦礦)使其只能吸收紫外光，限制了對太陽能的利用。為增加TiO₂對可見光的吸收，提出了一些摻雜改性的方法，比如金屬摻雜¹和非金屬摻雜等²。這些方法能減小TiO₂的帶寬，增加其對可見光的吸收。然而單一金屬摻雜或非金屬摻雜TiO₂雖然對可見光的光電轉換效率有一定提升，但隨著摻雜濃度的提高，光生載流子復合率急劇增大，抵消了摻雜帶來的光吸收提高的優勢，因此在進一步提升其光電轉換效率時遇到了瓶頸。而多元素的共摻雜成了突破這種瓶頸的一個重要途徑。

Wan-Jian?Yin等通過計算指出³，具有4d和5d軌道的陽離子進入TiO₂晶格中能保證維持電子的高遷移率，而具有2p或3p軌道的陰離子則能使TiO₂價帶頂部上移，從而達到減小能帶帶寬的目的。他們認為Nb、Ta、Mo和W是最佳的施主元素，而N和C則是最佳的受主元素。計算結果表明(Ta,?N)和(Nb,?N)為高濃度摻雜下最優的施主-受主組合，而(Mo,?N)和(W,?C)則為低濃度摻雜下最優的組合。在摻雜元素中，金屬元素鉬和非金屬元素碳作為摻雜元素以其特別的性質受到了很多關注^4-5。鉬離子的半徑大小和鈦離子的相當(Mo⁶⁺,?0.59?nm;?Ti⁴⁺,?0.605?nm)?⁶，而碳原子由于特殊價態結構在TiO₂晶格中既可取代鈦位置，又可以取代氧位置，還可以間隙原子的形式存在。Keqi?Tan等采用溶膠-凝膠法制備的鉬氮共摻TiO₂顯示出了最大的可見光吸收帶邊紅移現象⁷。Ye?Cong等發現碳氮共摻TiO₂比P25和碳單摻TiO₂表現了更好的光催化效果⁸。鉬碳共摻TiO₂表現出了比單摻更好的光電流特性和光催化活性⁹，這也符合Yanqin?Gai的研究，他通過局部密度近似計算找到了改善TiO₂光電活性的摻雜元素最佳組合(Mo,?C)¹⁰。

目前，報道的Mo、C共摻TiO₂的制備方法主要有熱氧化法⁷、溶膠凝膠法¹¹等，但未見磁控濺射制備技術的報道。本發明應用多靶磁控共濺射技術，采取三靶共濺方式制備了鉬碳共摻TiO₂薄膜。相對于熱氧化、溶膠凝膠等方法，本發明的一大優點是可以隨時通過改變三個濺射靶的功率來調節薄膜中Ti、Mo和C之間的含量比例，方便可控，重復性高。通過本發明制備的鉬碳共摻TiO₂薄膜在可見光下有著優良的光電催化性能。

參考文獻：

1.????Da-sen?Ren,?Zhuang-jian?Zhang,?Crystal?Structure?and?Photocatalytic?Characteristics?of?Nanoscale?Sb-doped?TiO₂?Thin?Films,?CHINESE?JOURNAL?OF?CHEMICAL?PHYSICS,?2006.19(6).549.6

2.????Matthias?Batzill,?Erie?H.?Morales,?and?Ulrike?Diebold,?In?uence?of?Nitrogen?Doping?on?the?Defect?Formation?and?Surface?Properties?of?TiO₂?Rutile?and?Anatase,?PHYSICAL?REVIEW?LETTERS,?2006,?96(2):?026103