一種TiO₂薄膜電極及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TiO2薄膜電極及其制備方法，所述電極包括ITO導(dǎo)電基底、SnO2薄膜層和TiO2薄膜層；其中，SnO2薄膜層的厚度為20～30nm，TiO2薄膜層的厚度為100～150nm。本發(fā)明通過在ITO導(dǎo)電基底依次沉積SnO2薄膜層和TiO2薄膜層，利用二者的協(xié)同效應(yīng)，使制備得到的TiO2薄膜電極具有較高的光電催化效率。
【專利說明】
一種T i 〇2薄膜電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光電催化領(lǐng)域，涉及一種Ti02薄膜電極及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，環(huán)境污染問題己日趨嚴重，有害氣體凈化、污水處理等日益受到人們的重視。在污水處理中目前的轉(zhuǎn)化處理方法大多是針對排放量大、濃度較高的污染物，對于水體中濃度較低、難以轉(zhuǎn)化的污染物的凈化還無能為力。而近年來逐漸發(fā)展起來的光催化降解技術(shù)為解決這一問題提供了良好的途徑。近年來的研究表明，光催化反應(yīng)能將含有染料、農(nóng)藥、齒代有機化合物、表面活性劑、油污、無機污染物的廢水處理為無害水而排放，而且成本不高，無二次污染，可以作為其它處理方法的預(yù)處理，也可以作為其它處理方法的深度處理，還可以單獨使用。
[0003]在光催化反應(yīng)中最重要的是催化劑的開發(fā)，Ti02是一種高效的光催化劑。當能量大于或等于Ti02帶隙能的光照射Ti〇2時，Ti〇2吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，經(jīng)過禁帶向來自溶液或氣相且吸附在其表面的物種轉(zhuǎn)移電荷。空穴奪取顆粒表面吸附物或溶劑中的電子， 與供給電子的物種結(jié)合，使該物種(常為有機污染物)被氧化，電子受體(通常是水溶液中的氧)接受表面電子被還原。但缺點是電子-空穴在表面和內(nèi)部可以發(fā)生簡單復(fù)合，降低其光催化效率。光電催化氧化技術(shù)是外加一定的陽極偏壓，將光激發(fā)產(chǎn)生的電子通過外電路驅(qū)趕到反向電極上，從而實現(xiàn)與空穴(載流子)的有效分離，這一電場增強效應(yīng)明顯地減少了電子-空穴的簡單復(fù)合。這一過程稱為光電協(xié)同催化氧化，即光電催化氧化技術(shù)。光電催化技術(shù)具有:(1)室溫下使用的，不需要高溫源，僅需UV光源和光催化劑，具有節(jié)省能源和安全的特點；(2)光催化劑在紫外光的作用下具有徹底分解有機物的能力，可以分解幾乎所有的有毒有機物，其凈化產(chǎn)物是C02和水，不會產(chǎn)生副作用；(3)光催化劑本身具有無毒，無污染， 衛(wèi)生安全以及效率高，壽命長，裝置簡單，維護容易，運行費用低。Ti02光電催化技術(shù)正逐步發(fā)展為治理環(huán)境污染的一項新技術(shù)。
[0004]Ti02光電催化技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)高效、穩(wěn)定的Ti02薄膜電極。目前Ti02薄膜的制備方法主要有溶膠-凝膠法、液相沉積法、電子束蒸發(fā)沉積、化學(xué)氣相沉積法、自組裝模板制備方法等，其中應(yīng)用最多的是溶膠-凝膠法。溶膠-凝膠法一般采用欽的無機鹽類(如 TiCl4)或者鈦的有機酯類(如Ti(0C4H9)4)作原料在一定pH值條件下通過水解制備Ti02溶膠， 然后根據(jù)基體的不同選用浸漬提拉法、旋轉(zhuǎn)涂膜法或噴射涂膜法將Ti02溶膠涂覆在基體表面，然后將涂有Ti02凝膠的基體在一定溫度下退火，獲得透明或半透明的Ti02薄膜。溶膠-凝膠法的優(yōu)點是操作簡單、易控制、成本低、可以在形狀復(fù)雜的襯底表面形成各種涂層。溶膠-凝膠法的缺點是制備的Ti02涂層與基體結(jié)合不牢，當涂覆Ti02層的厚度大時使用過程中容易從基體上脫落。
[0005]CN 102276011A公開了一種制備Ti〇2薄膜電極的簡單方法，該方法使用將鈦酸四丁酯(TBT)溶于聚苯乙烯(PS)的有機溶劑(如二甲苯)溶液中，采用浸漬提拉法在導(dǎo)電玻璃上涂覆TBT/PS無機/有機前體膜，100°C氣相水熱處理前體膜，之后450°C焙燒前體膜，制得Ti02薄膜。該Ti02薄膜電極雖然具有較好的光電催化有機物的效果，但是其光電催化效率較低。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種Ti02薄膜電極，通過在IT0導(dǎo)電基底依次沉積Sn02薄膜層和Ti02薄膜層，利用二者的協(xié)同效應(yīng)，使制備得到的Ti02薄膜電極具有較高的光電催化效率。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]第一方面，本發(fā)明提供了一種Ti02薄膜電極，所述電極包括IT0導(dǎo)電基底、Sn02薄膜層和Ti02薄膜層;其中，Sn02薄膜層的厚度為20?30nm，Ti02薄膜層的厚度為100?150nm。 [〇〇〇9]其中，Sn〇2 薄膜層的厚度可為 2〇11111、2211111、2511111、27111]1或3〇111]1等，1';[〇2薄膜層的厚度可為 1 OOnm、11 Onm、120nm、130nm、140nm 或 150nm 等。
[0010]第二方面，本發(fā)明提供了上述Ti〇2薄膜電極的制備方法，包括如下制備步驟:
[0011](1)導(dǎo)電玻璃(IT0)的預(yù)處理:將IT0玻璃裁成70 X 20mm大小，在10 %的重鉻酸鉀洗液中浸泡1 〇s后用蒸餾水沖洗，而后分別以乙醇和蒸餾水超聲清洗，100 °c下烘干，待用；
[0012](2)含錫鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯、二甲苯或氯仿中任意一種或至少兩種的組合溶液中，不添加水，再向其中滴加含錫前驅(qū)液，制成含錫鑄膜溶液；
[0013](3)將清洗過的IT0電極浸入鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min的速度在室溫環(huán)境下從含錫鑄膜液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的含錫鑄膜液;然后在l〇〇°C下恒濕干燥60min后放入馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率至200?300°C，保溫2?4h，室溫冷卻，制得覆有Sn02薄膜層的IT0電極；[〇〇14](4)Ti02鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯、二甲苯或氯仿中任意一種或至少兩種的組合溶液中，不添加水，再向其中加入鈦酸四丁酯，超聲振蕩致完全溶解，得到Ti02鑄膜溶液；[0〇15](5)將覆有Sn02薄膜層的IT0電極浸入Ti02鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min的速度在室溫環(huán)境下從Ti02鑄膜溶液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的Ti02鑄膜溶液后，放入手套箱中，待涂膜完全固化，然后在100°C下恒濕干燥60min后放入馬弗爐中，以6°C/min 的升溫速率至450°C，保溫2h，室溫冷卻，即制得Ti02薄膜電極。
[0016]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述含錫前驅(qū)液中氯化錫的濃度為0.05?0.lmol/L，例如0 ? 05mol/L、0 ? 06mol/L、0 ? 07mol/L、0 ? 08mol/L、0 ? 09mol/L 或0 ? lmol/L等，進一步優(yōu)選為 0?07mol/L。[〇〇17]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述含錫前驅(qū)液中檸檬酸的濃度為0.05?0.lmol/L，例如0?05mol/L、0?06mol/L、0?07mol/L、0?08mol/L、0?09mol/L或0?lmol/L等，進一步 0?07mol/L。
[0018]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述有機溶劑為乙醇和/或丙酮。
[0019]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟(2)中所述含錫鑄膜溶液中錫元素與聚苯乙烯的質(zhì)量比為(10 ?15):1，例如10:1、11:1、12:1、13:1、14:1或15:1等，進一步優(yōu)選為13:1。
[0020]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟(4)中所述鈦酸四丁酯與聚苯乙烯的質(zhì)量比為(13? 20):1，例如13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1、19:1或20:1等，進一步優(yōu)選為17:1。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:[〇〇22]本發(fā)明通過在IT0導(dǎo)電基底依次沉積Sn02薄膜層和Ti02薄膜層，利用二者的協(xié)同效應(yīng)，使制備得到的Ti 02薄膜電極具有較高的光電催化效率，制得的T i02薄膜電極在1.2V下， 電流密度為可達0.45mA/cm2，光電催化效率可達95 %?！揪唧w實施方式】
[0023]為更好地說明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面對本發(fā)明進一步詳細說明。但下述的實施例僅僅是本發(fā)明的簡易例子，并不代表或限制本發(fā)明的權(quán)利保護范圍，本發(fā)明保護范圍以權(quán)利要求書為準。
[0024]以下各實施例的光電測試條件如下:[〇〇25] 室溫，采用500W氙燈做光源，加裝濾片過濾掉380納米以下的紫外光，光強100mW/ cm2,電解質(zhì)1M NaOH，電化學(xué)工作站，掃描步長5mV/s，對電極為鉑電極。[〇〇26] 實施例1:
[0027]含錫前驅(qū)液的制備:將氯化錫和檸檬酸溶于有機溶劑乙醇中，攪拌至完全溶解，制得氯化錫的濃度為0.07mol/L，檸檬酸的濃度為0.07mol/L的錫前驅(qū)液。[〇〇28] Ti02薄膜電極的制備:[〇〇29](1)IT0導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理:將IT0導(dǎo)電玻璃裁成70 X 20mm大小，在10%的重鉻酸鉀洗液中浸泡1 〇s后用蒸餾水沖洗，而后分別以乙醇和蒸餾水超聲清洗，100 °c下烘干，待用；
[0030](2)含錫鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯中，不添加水，再向其中滴加含錫前驅(qū)液，制成含錫鑄膜溶液，其中，含錫鑄膜溶液中錫元素與聚苯乙烯的質(zhì)量比為 13:1；[〇〇31](3)將清洗過的IT0電極浸入鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min的速度在室溫環(huán)境下從含錫鑄膜液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的含錫鑄膜液;然后在l〇〇°C下恒濕干燥60min后放入馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率至250°C，保溫3h，室溫冷卻，制得覆有Sn〇2 薄膜層的IT0電極；[〇〇32](4)Ti02鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯中，不添加水，再向其中加入鈦酸四丁酯，超聲振蕩致完全溶解，得到Ti02鑄膜溶液，其中，鈦酸四丁酯與聚苯乙烯的質(zhì)量比為17:1;[〇〇33](5)將覆有Sn02薄膜層的IT0電極浸入Ti02鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min的速度在室溫環(huán)境下從Ti02鑄膜溶液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的Ti02鑄膜溶液后，放入手套箱中，待涂膜完全固化，然后在100°C下恒濕干燥60min后放入馬弗爐中，以6°C/min 的升溫速率至450°C，保溫2h，室溫冷卻，即制得Ti02薄膜電極。[〇〇34]本實施例制得的電極包括IT0導(dǎo)電基底、Sn02薄膜層和Ti02薄膜層;其中，Sn02薄膜層的厚度為24nm，Ti02薄膜層的厚度為135nm〇[〇〇35]經(jīng)測試，制得的Ti02薄膜電極在1.2V下，電流密度為可達0.47mA/cm2，光電催化效率可達98 %。[〇〇36] 實施例2:
[0037]含錫前驅(qū)液的制備:將氯化錫和檸檬酸溶于有機溶劑乙醇中，攪拌至完全溶解，制得氯化錫的濃度為0.05mol/L，檸檬酸的濃度為0.05mol/L的錫前驅(qū)液。
[0038] Ti02薄膜電極的制備:[〇〇39](1)IT0導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理:將IT0導(dǎo)電玻璃裁成70 X 20mm大小，在10%的重鉻酸鉀洗液中浸泡1 〇s后用蒸餾水沖洗，而后分別以乙醇和蒸餾水超聲清洗，100 °c下烘干，待用；
[0040](2)含錫鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯中，不添加水，再向其中滴加含錫前驅(qū)液，制成含錫鑄膜溶液，其中，含錫鑄膜溶液中錫元素與聚苯乙烯的質(zhì)量比為 10:1；[0041 ](3)將清洗過的IT0電極浸入鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min的速度在室溫環(huán)境下從含錫鑄膜液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的含錫鑄膜液;然后在l〇〇°C下恒濕干燥60min后放入馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率至200°C，保溫4h，室溫冷卻，制得覆有Sn02 薄膜層的IT0電極；[〇〇42](4)Ti02鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯中，不添加水，再向其中加入鈦酸四丁酯，超聲振蕩致完全溶解，得到Ti02鑄膜溶液，其中，鈦酸四丁酯與聚苯乙烯的質(zhì)量比為13:1;[〇〇43](5)將覆有Sn02薄膜層的IT0電極浸入Ti02鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min的速度在室溫環(huán)境下從Ti02鑄膜溶液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的Ti02鑄膜溶液后，放入手套箱中，待涂膜完全固化，然后在100°C下恒濕干燥60min后放入馬弗爐中，以6°C/min 的升溫速率至450°C，保溫2h，室溫冷卻，即制得Ti02薄膜電極。[〇〇44]本實施例制得的電極包括IT0導(dǎo)電基底、Sn02薄膜層和Ti02薄膜層;其中，Sn02薄膜層的厚度為20nm，Ti02薄膜層的厚度為100nm〇[〇〇45]經(jīng)測試，制得的Ti02薄膜電極在1.2V下，電流密度為可達0.41mA/cm2，光電催化效率可達97 %。[〇〇46] 實施例3:
[0047]含錫前驅(qū)液的制備:將氯化錫和檸檬酸溶于有機溶劑乙醇中，攪拌至完全溶解，制得氯化錫的濃度為0.lmol/L，檸檬酸的濃度為0.lmol/L的錫前驅(qū)液。[〇〇48] Ti02薄膜電極的制備:[〇〇49](1)IT0導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理:將IT0導(dǎo)電玻璃裁成70 X 20mm大小，在10%的重鉻酸鉀洗液中浸泡1 〇s后用蒸餾水沖洗，而后分別以乙醇和蒸餾水超聲清洗，100 °c下烘干，待用；
[0050](2)含錫鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯中，不添加水，再向其中滴加含錫前驅(qū)液，制成含錫鑄膜溶液，其中，含錫鑄膜溶液中錫元素與聚苯乙烯的質(zhì)量比為 15:1；[0051 ](3)將清洗過的IT0電極浸入鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min的速度在室溫環(huán)境下從含錫鑄膜液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的含錫鑄膜液;然后在l〇〇°C下恒濕干燥60min后放入馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率至300°C，保溫2h，室溫冷卻，制得覆有Sn02 薄膜層的IT0電極；[〇〇52](4)Ti02鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯中，不添加水，再向其中加入鈦酸四丁酯，超聲振蕩致完全溶解，得到Ti02鑄膜溶液，其中，鈦酸四丁酯與聚苯乙烯的質(zhì)量比為20:1;[〇〇53](5)將覆有Sn02薄膜層的IT0電極浸入Ti02鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min的速度在室溫環(huán)境下從Ti02鑄膜溶液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的Ti02鑄膜溶液后，放入手套箱中，待涂膜完全固化，然后在100°C下恒濕干燥60min后放入馬弗爐中，以6°C/min 的升溫速率至450°C，保溫2h，室溫冷卻，即制得Ti02薄膜電極。[〇〇54]本實施例制得的電極包括IT0導(dǎo)電基底、Sn02薄膜層和Ti02薄膜層;其中，Sn02薄膜層的厚度為30nm，Ti02薄膜層的厚度為150nm〇[〇〇55]經(jīng)測試，制得的Ti02薄膜電極在1.2V下，電流密度為可達0.45mA/cm2，光電催化效率可達96 %。
[0056] 對比例1:[〇〇57] CN 102276011A中實施例1，其制得的Ti02薄膜電極在1.2V下，電流密度為0.21mA/ cm2,光電催化效率僅為77%。
[0058] 對比例2:[〇〇59]除了不制備Ti02薄膜層外，即制得的電極僅包括IT0導(dǎo)電基底和Sn02薄膜層，其他物料用量與制備步驟均與實施例1中相同。
[0060]其制得的Ti02薄膜電極在1.2V下，電流密度為0.llmA/cm2,光電催化效率僅為 65%〇
[0061]綜合實施例1-3和對比例1-2的結(jié)果可以看出，本發(fā)明通過在ITO導(dǎo)電基底依次沉積Sn02薄膜層和Ti02薄膜層，利用二者的協(xié)同效應(yīng)，使制備得到的Ti02薄膜電極具有較高的光電催化效率，制得的Ti02薄膜電極在1.2V下，電流密度為可達0.45mA/cm2,光電催化效率可達95 %。
[0062]
【申請人】聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種Ti02薄膜電極，其特征在于，所述電極包括ITO導(dǎo)電基底、Sn02薄膜層和Ti02薄膜 層;其中，Sn〇2薄膜層的厚度為20?30nm，Ti〇2薄膜層的厚度為100?150nm〇2.如權(quán)利要求1所述的Ti02薄膜電極制備方法，其特征在于，包括如下制備步驟:(1) IT0導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理:將IT0導(dǎo)電玻璃裁成70 X 20mm大小，在10%的重鉻酸鉀洗液 中浸泡l〇s后用蒸餾水沖洗，而后分別以乙醇和蒸餾水超聲清洗，l〇〇°C下烘干，待用；(2)含 錫鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯、二甲苯或氯仿中任意一種或至少兩種 的組合溶液中，不添加水，再向其中滴加含錫前驅(qū)液，制成含錫鑄膜溶液；(3)將清洗過的IT0電極浸入鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min的速度在室溫 環(huán)境下從含錫鑄膜液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的含錫鑄膜液;然后在l〇〇°C下恒濕干燥 60min后放入馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率至200?300°C，保溫2?4h，室溫冷卻，制得覆 有Sn02薄膜層的IT0電極；(4)Ti02鑄膜溶液的制備:稱取聚苯乙烯，溶于有機溶劑苯、二甲苯或氯仿中任意一種或 至少兩種的組合溶液中，不添加水，再向其中加入鈦酸四丁酯，超聲振蕩致完全溶解，得到 Ti02鑄膜溶液；(5)將覆有Sn02薄膜層的IT0電極浸入Ti02鑄膜溶液中，用勻速垂直提拉機以50mm/min 的速度在室溫環(huán)境下從Ti02鑄膜溶液中提拉出，擦去不導(dǎo)電一面的Ti02鑄膜溶液后，放入手 套箱中，待涂膜完全固化，然后在100°C下恒濕干燥60min后放入馬弗爐中，以6°C/min的升 溫速率至450°C，保溫2h，室溫冷卻，即制得Ti02薄膜電極。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述含錫前驅(qū)液的制備方法為:將氯 化錫和檸檬酸溶于有機溶劑中，攪拌至完全溶解，制得含錫前驅(qū)液。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述含錫前驅(qū)液中氯化錫的濃度為 0 ? 05 ?0 ? lmol/L，進一步優(yōu)選為 0 ? 07mol/L。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，所述含錫前驅(qū)液中檸檬酸的濃度 為0.05 ?0.1mol/L，進一步0.07mol/L。6.根據(jù)權(quán)利要求3-5任一項所述的制備方法，其特征在于，所述有機溶劑為乙醇和/或 丙酮。7.根據(jù)權(quán)利要求3-6任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述含錫鑄膜溶 液中錫元素與聚苯乙稀的質(zhì)量比為(10?15): 1，進一步優(yōu)選為13:1。8.根據(jù)權(quán)利要求3-7任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述鈦酸四丁酯 與聚苯乙烯的質(zhì)量比為(13?20): 1，進一步優(yōu)選為17:1。
【文檔編號】C02F1/30GK106006825SQ201610343586
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】徐德生
【申請人】無錫市嘉邦電力管道廠