[發明專利]具有可見光光電催化效應的三元氧化物薄膜結構的制備方法

無效

• 申請號: 201410001042.7
• 申請日: 2014-01-02
• 公開（公告）號: CN103736494A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 俞圣雯;趙保杰;程芳;董超;管磊
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B01J23/843
• 分類號: B01J23/843;B01J37/00;C02F1/30
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一類具有良好可見光光電催化效應的三元氧化物薄膜結構的制備方法。該薄膜結構以簡單的溶膠-凝膠工藝制備合成，成本低廉，性能穩定。本發明屬于無機非金屬材料及催化劑制備技術領域。?

背景技術

????根據半導體材料的帶隙特征，可以經由紫外-可見光波的照射而產生光生電子-空穴，若同時施以外加電場，則可實現光生電子-空穴的分離，用以降解處理有機物污染，這種技術就是光電催化技術。最常見的光電催化材料為TiO₂納米材料(如TiO₂納米管、TiO₂納米管陣列等)，其光電催化使用波段為紫外光波段。純TiO₂納米材料的光電催化效率較低，普遍低于50%^[1]。對TiO₂納米材料進行改性或者敏化不僅可提高光電催化效率，還可實現可見光的利用^[2]，然而由此也導致了合成步驟的繁瑣化，有些甚至需要用到CVD技術^[3]，這使得制備成本大為提高，不利于產業化。因此，一種可以成本低廉、合成簡單并能利用可見光來實現光電催化降解的材料在環境處理產業領域是受歡迎的。?

三元氧化物BiFeO_3?(BFO)?是一類實際表現為n型的半導體材料，這是由于其Fe³⁺容易變價為Fe²⁺。由于BFO的禁帶寬度較窄，約為1.84?~?3.1?eV?(400?~?674?nm)?，處于可見光波段內，因此BFO材料本身即具有可見光光電催化效應，且這種效應在納米形式下可得到提高。就目前的技術而言，制備BFO納米管、納米陣列有相當難度，然而BFO半導體薄膜的合成則相當簡單且成本低廉。?

本發明即根據產業化的需求，采用圖1所示的BFO薄膜/FTO導電玻璃結構來實現可見光的光電催化處理。該結構在實際應用中作為工作電極，無需考慮光的入射方向，只需在一定陽極偏壓下通過可見光照射，即可對有機物如甲基橙溶液進行降解，達到光電催化處理的目的，具有很高的使用便利度。經測試，該結構5小時的可見光照射光電降解甲基橙溶液的催化活性可達71.6%。這種BFO薄膜/FTO導電玻璃結構在本方明中以溶膠-凝膠方法制備合成，該方法工藝簡單、實施方便、周期短、成本低廉。此結構中BFO薄膜分布均勻、性能穩定良好，且可制成大面積尺寸的產品，這更具有產業化可行性。?

發明內容

????本發明的目的是提供一種具有可見光光電催化效應的三元氧化物薄膜結構的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟：?

a.?FTO導電玻璃襯底的預處理：

????首先用丙酮輕輕擦洗襯底表面，再經過丙酮、無水乙醇3次超聲振蕩，每次至少5分鐘，最后用去離子水超聲15分鐘，烘干備用；

b.鐵酸鉍(BiFeO₃，簡寫為BFO)溶膠的制備：

????首先用分析天平稱取一定量的五水合硝酸鉍置于圓底燒瓶中，加入適量乙二醇甲醚后將圓底燒瓶放在磁力攪拌器上攪拌，待五水合硝酸鉍充分溶解于乙二醇甲醚后，用移液管加入一定比例的冰醋酸繼續攪拌；其次按照五水合硝酸鉍：九水合硝酸鐵=1.02:1的摩爾比例稱取九水合硝酸鐵置于另一圓底燒瓶中，加入適量乙二醇甲醚，待充分溶解后用移液管量取與上述操作等量的冰醋酸加入上述混合物中，加入冰醋酸的總量與九水合硝酸鐵的摩爾比為1:1；然后將兩圓底燒瓶中的溶液混合，于60⁰C油浴半小時，目的是加速水解；最后常溫繼續攪拌3小時即得到所需濃度的鐵酸鉍(BiFeO₃)溶膠，靜置24-48h后使用；

c.BFO溶膠涂覆在FTO上并進行退火處理：

使用SC-1B型臺式勻膠機將制備的前驅體溶膠以2000轉/分鐘，5秒；4000轉/分鐘，25秒的速率將b中的溶膠涂覆在FTO(摻F的SnO₂)導電玻璃上，然后在BP-2B型烘膠臺上于240⁰C下烘干，接著在KG-2-ZE型快速光熱爐中分兩段預結晶，300⁰C?下2分鐘、500⁰C下5分鐘；得到一層薄膜。重復以上過程，得到一定厚度的薄膜；最后將上述薄膜在馬弗爐中600⁰C退火1小時使其進一步晶化；最終得到BFO/FTO三元氧化物薄膜結構催化劑。