[發明專利]一種負壓環境下脈沖激光濺射沉積制備黑色二氧化鈦粉末的方法

有效

• 申請號: 201611052072.6
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106756788B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 魏強;盧紅;黃歡歡;張立憲
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/28;C01G23/07;B01J21/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

本發明公開了一種負壓環境下脈沖激光濺射沉積制備黑色二氧化鈦粉末的方法，步驟是：首先，將白色二氧化鈦粉末壓片，得到壓強為140～200Mpa的靶材；然后，將靶材置于真空罐，抽真空使真空罐內壓力達到1×10^?6?1×10⁴Pa；調節脈沖激光器的入射激光束與靶材之間的角度為10～45°，激光器的基片基底與靶材的距離為15～50mm；開啟脈沖激光器，調節激光脈寬、激光能量、激光波長和頻率，激光聚焦輻照真空罐中的靶材，處理一定時間，在基片上得到黑色二氧化鈦薄膜，將黑色二氧化鈦薄膜上的黑色二氧化鈦刮下即得到黑色二氧化鈦粉末。本發明制備過程簡單快速，原材料費用低，反應時間短。

技術領域

本發明屬于無機材料制備的技術領域，具體涉及一種真空環境下通過脈沖激光濺射沉積法制備黑色二氧化鈦粉末或薄膜的方法。

背景技術

二氧化鈦作為一種應用廣泛的半導體催化劑，目前可以應用于太陽能電池，光催化裂解水釋放氫氣和氧氣，也可以用來降解環境污染物。由于二氧化鈦屬于寬帶隙半導體(3.0-3.2eV)，所以其只能吸收太陽光譜內的紫外線區域，而這一部分只有整個太陽能的3％～5％，這就大大降低了二氧化鈦的應用范圍和催化效率。因此，要想提高二氧化鈦的光催化活性，就需要增強其對可見光的吸收，拓寬其光響應范圍。

為了提高二氧化鈦對可見光的吸收，提高其光催化效率，研究者們嘗試了很多方法對二氧化鈦進行改性(如離子摻雜、貴金屬沉積、半導體復合、染料敏化等)。然而，改進后的二氧化鈦對可見光的吸收仍然不足。2011年，Chen等通過高壓下氫化處理二氧化鈦5天得到了氫摻雜的核殼結構的黑色二氧化鈦，大大提高了二氧化鈦對可見光的吸收及其光催化性能，為二氧化鈦的改性提供了另一條途徑(Chen,X.,Liu,L.,Yu,P.Y.&Mao,S.S.Increasing solar absorption for photocatalysis with black hydrogenatedtitanium dioxide nanocrystals.Science 331,746-750)。此后，研究者們還探索出了氫等離子體輔助氫化法、化學還原法、化學氧化法等來制備黑色二氧化鈦。其中，氫還原法涉及到了高溫高壓，存在易燃易爆等不安全因素且對設備要求比較高；氫等離子體輔助氫化法有氫氣的加入，與此同時還需要加熱，同樣增加了實驗的風險；化學法制備過程復雜，耗時比較長。這些方法涉及的還原、高溫高壓等制備原理，限制了黑色二氧化鈦的制備效率。

發明內容

針對黑色二氧化鈦制備方法復雜且制備效率較低的問題，本發明提出了一種真空環境下通過脈沖激光濺射沉積法制備黑色二氧化鈦的方法。該方法操作簡單、成本低、反應時間短，能夠高效快速的合成黑色二氧化鈦。所得黑色二氧化鈦大大提高了對可見光的吸收，拓寬了光響應范圍。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種負壓環境下脈沖激光濺射沉積制備黑色二氧化鈦粉末的方法，步驟是：首先，將白色二氧化鈦粉末壓片，得到壓強為140～200Mpa的白色二氧化鈦靶材；然后，將制得的白色二氧化鈦靶材置于真空罐，抽真空使真空罐內壓力達到1×10^-6-1×10⁴Pa；調節脈沖激光器的入射激光束與所述白色二氧化鈦靶材之間的角度為10～45°，激光器的基片基底與所述白色二氧化鈦靶材的距離為15～50mm；開啟脈沖激光器，調節激光脈寬、激光能量、激光波長和頻率，激光聚焦輻照真空罐中的白色二氧化鈦靶材，處理一定時間，在基片上得到黑色二氧化鈦薄膜，將黑色二氧化鈦薄膜上的黑色二氧化鈦刮下即得到黑色二氧化鈦粉末。

上述負壓環境下脈沖激光濺射沉積制備黑色二氧化鈦粉末的方法中，所述激光器的基片為耐高溫基片，耐溫不低于550℃；可以選用石英基或是K9玻璃基片。

所述激光脈寬為10ns-50ps，激光能量為450-1500mJ，激光波長為532-1064nm，頻率為5～20Hz。激光聚焦輻照白色二氧化鈦靶材每點處理時間為30～120s。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：