[發明專利]在金屬片襯底上生長的GaN納米線光催化材料及制備方法和應用

在審

• 申請號: 201710413793.3
• 申請日: 2017-06-05
• 公開（公告）號: CN107185578A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 喻彬璐;王德法;葉金花
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C01B32/40;B01J37/03;B01J37/08;B01J37/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 王麗

技術領域

本發明屬于光催化技術領域，尤其是涉及一種在金屬片襯底上生長GaN納米線材料的制備方法和應用。

背景技術

石油、煤炭等傳統化石燃料極大的推動了全人類的發展和進步，直到今天我們仍舊十分依賴這些化石燃料，但大量化石燃料的使用也引起了許多嚴重的環境問題，如溫室效應、霧霾等，這些問題已經嚴重威脅到人類的生存。利用太陽光將溫室氣體CO₂和水轉化為可再生碳氫化合物能源的“人工光合成”技術，成為一項有潛力改善地球能源枯竭與環境污染的綠色化學技術。目前光催化反應主要涉及三個過程,分別是:光吸收、載流子遷移和表面反應。其中，載流子在遷移過程會發生復合，這會大大降低光催化材料量子效率。通過提高光生載流子的輸運性能，能有效提升光催化性能。近年來，GaN基材料在光催化領域表現出的優異性能讓它受到來自學術界和產業界的廣泛關注。GaN基一維材料具有高的比表面積和載流子遷移速率，這些特點更有利于光催化反應的進行。

GaN基一維材料的生長方法主要有金屬有機氣相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)和弧光放電法等方法獲得，但此類設備價格十分昂貴，操作復雜。因而使用成本低廉、操作簡便的化學氣相沉積法(CVD)制備GaN納米線具有極大的優勢。

在目前用來生長GaN納米線的襯底多為具有特定晶面的單晶硅片。單晶硅片本身價格較高，并且面積越大的單晶硅片本身越難制備，價格相應更加昂貴。除此之外，要想在單晶硅片襯底上生長GaN納米線，還需要在硅片表面再噴鍍一定量的Au顆粒，這會進一步增加成本。利用金屬片代替噴金的單晶硅片作為襯底，可以大大降低成本，同時有希望大面積制備GaN納米線。

在許多運用化學氣相沉積法(CVD)生長GaN納米線的文獻報道中，大部分Ga源采用金屬鎵、一氯化鎵或三氯化鎵，這類鎵源在制備時往往比較困難，價格相應偏高，在使用時也存在一些問題。金屬鎵多為液態或塊狀，不利于研磨或稱量；一氯化鎵或三氯化鎵本身很不穩定，在空氣中易發煙，不利操作；Ga₂O₃十分穩定，成本較低，同時加入廉價易得的活性炭與Ga₂O₃發生一系列還原反應，能夠解決單純使用Ga₂O₃作為Ga源時化學氣相沉積法中產生的氣相Ga離子濃度偏低問題。

發明內容

本發明提供了一種在金屬片襯底上生長的GaN納米線光催化材料及其制備方法和應用，解決了背景技術中所述的諸多問題，大大降低生產成本，簡化操作工藝，提升光催化性能。

本發明的技術方案如下:

一種在金屬片襯底上生長的GaN納米線光催化材料，所述光催化材料為GaN，GaN納米材料具有納米線形狀。所述襯底材料包括Cu、Ni、Fe、Ti、W或其合金中的一種金屬片選作襯底。

本發明的一種在金屬片襯底上生長的GaN納米線光催化材料的制備方法，采用化學氣相沉積法，在襯底材料上進行沉積生長，獲得GaN納米線。具體操作步驟如下：

(1)取一水葡萄糖放入加蓋的坩堝中，再置于馬弗爐中處理，溫度為300～500℃，保溫0.5～3h，得到活性炭；

(2)用酸處理金屬片襯底后，用去離子水把金屬片表面洗凈，再用吹風機吹干；

(3)將Ga₂O₃與步驟(1)中的活性炭按摩爾比1:2～1:5放入研缽中進行研磨，混合后的樣品置于小方舟內，再將步驟(2)中的金屬片蓋在方舟上，位于樣品的上方；

(4)將方舟放入水平管式爐的中，密封水平管式爐；啟動真空泵，爐內真空度抽至0.1MPa時，關閉真空泵，通入Ar氣至爐內壓力變為常壓；

(5)加熱至生長溫度，生長溫度：900℃～1000℃，升溫階段通入Ar氣流；保溫0.5h～2h，Ar氣的流量與升溫階段保持相同；關閉Ar氣，通入NH₃，氨化時間為0.5h～2h；最后關閉NH₃，打開Ar氣并冷卻至室溫。

優選Ar氣流量為60～200sccm。

優選NH₃的流量為50～200sccm。

GaN納米線的CO₂光還原催化材料的應用：