專利名稱：一種可見光活性的銻摻雜納米二氧化鈦薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納米二氧化鈦薄膜制備技術領域，具體涉及一種具有可見光活性的Sb
摻雜的二氧化鈦薄膜的制備方法。
背景技術：
從1972年發(fā)現(xiàn)半導體二氧化鈦在紫外光照射下將水分解成氫和氧氣以來，二氧 化鈦在材料領域受到了非常廣泛的重視。Ti02可用于光催化降解有機物、殺菌消毒、污水 處理、空氣凈化、氫能制備等多個方面，目前，納米1102的制備方法研究已成為光催化新材 料開發(fā)的一個非?；钴S的課題。由于1102的禁帶寬度大(3.2eV，銳態(tài)礦型，3.0eV，金紅石 型)，對可見光的吸收差，極大的限制了其應用范圍，通常采用摻雜金屬或非金屬的方式增 加其可見光活性，目前報道的有非金屬如C， N， S等元素的摻雜以及Fe， Cr， Sb和稀土元素 以及其他多種金屬元素的摻雜等。 已經(jīng)報道的Sb摻雜納米Ti02薄膜的制備方法有許多種，例如溶膠_凝膠方法，在 前驅體中引入SbClJl，2]，或通過反應磁控濺射方法都可以得到Sb摻雜納米Ti(^薄膜[3， 4]。但這些方法存在一些缺點，如溶膠_凝膠方法涉及較多的化學藥品，操作步驟較繁瑣、 制備周期長；反應磁控濺射方法涉及的設備昂貴，能耗較高。 本發(fā)明提出一種新的方法，通過熱處理的方法制備具有可見光活性的Sb摻雜的 Ti(^薄膜，工藝簡單，可避免使用昂貴的設備，符合節(jié)能減排的原則，為二氧化鈦的制備與 應用開辟新的思路。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單、設備便宜的具有可見光活性的Sb摻雜的 二氧化鈦薄膜的制備方法。 本發(fā)明提出的制備Sb摻雜的二氧化鈦薄膜的方法，所用的原材料為金屬鈦片或
Ti薄膜，以及Sb203粉末。通過熱處理的方法制備Sb摻雜的納米Ti02薄膜，即在Sb03粉末
存在的情況下，在一定的溫度下焙燒氧化金屬Ti片或Ti薄膜，得到Sb摻雜的二氧化鈦薄
膜。通過控制熱處理溫度和時間來控制薄膜的厚度以及Sb的摻雜量。 優(yōu)選地，本發(fā)明中制備Sb摻雜的二氧化鈦薄膜控制的溫度為400-450°C ，焙燒時
間0. 5 1. 5小時。太高的溫度或過長的熱處理時間將導致Sb的過量摻雜而降低其可見
光活性。 實驗表明，由本發(fā)明提出的方法制備的Sb摻雜二氧化鈦半導體薄膜具有可見光 活性，制備方法簡單。并可避免使用昂貴的設備，降低制備成本。 1.在可見光照射下，以本工藝制備的Sb摻雜Ti02薄膜表現(xiàn)出明顯的陽極光電流， 焙燒溫度為40(TC，焙燒時間為1小時時，得到的Sb摻雜Ti02薄膜電極短路光電流密度為 0. 086 ii A. cm—2，無摻雜的Ti02薄膜電極的可見光光電流為0. 062 y A. cm—2如圖3所示。焙 燒溫度為42(TC時，得到的Sb摻雜1102薄膜電極短路光電流密度為0. 13ii A. cm—2，無摻雜的Ti(^薄膜電極的可見光光電流為0.07i!A.cm—2。如圖4所示。結果表明由該新工藝制備 的納米1102薄膜對可見光表現(xiàn)出增強的光電響應，有望在太陽能光電轉換和光催化分解水 方面得到應用。 2.薄膜的XPS測試表明，以本工藝制備的Ti02薄膜含有Sb元素，如圖5所示。
3.薄膜的SEM測試表明，以本工藝制備的Sb摻雜的Ti02薄膜為表面呈現(xiàn)納米結 構，如圖6所示。
圖1Sb摻雜的二氧化鈦薄膜的制備過程示意圖。a為干凈的Ti片；b為有Sb203的 瓷舟；c為制備過程，干凈的Ti片覆蓋在有Sb203的瓷舟上進行焙燒；d為Ti片接觸瓷舟內 Sb203的部分生成Sb摻雜的Ti02 ;外側為未摻雜的Ti02。 圖2制備的樣品的實物圖。A，摻雜Sb的Ti02薄膜(中間部分)；B，單純Ti熱處 理得到的Ti02薄膜，樣品制備條件45(TC焙燒1小時。 圖3 40(TC焙燒氧化金屬Ti片得到的Sb摻雜納米Ti02電極(a)以及Ti02電極
(b)在可見光照射下的短路光電流曲線?？梢姽夤鈴姸?mW. cm—2， 1. OM KOH溶液。 圖4 42(TC焙燒氧化金屬Ti片得到的Sb摻雜納米Ti02電極(a)以及Ti02電極
(b)在可見光照射下的短路光電流曲線。可見光光強度5mW. cm—2， 1. OM KOH溶液。 圖5依據(jù)本發(fā)明制備的Ti02薄膜的Ti元素(A)和Sb元素(B)的XPS譜；制備樣
品時在42(TC焙燒時間1小時。其中，a，摻雜Sb的Ti02薄膜；b，單純Ti熱處理得到的Ti02薄膜。 圖6制備的Sb摻雜的納米Ti02薄膜的SEM圖，a，摻雜Sb的Ti02薄膜；b，單純Ti 熱處理得到的Ti02薄膜，樣品制備條件42(TC焙燒1小時。
具體實施例方式實施例1 : 通過熱處理的方法制備Sb摻雜的納米Ti02薄膜，先將金屬鈦片進行處理，除去表 面的氧化層，然后利用圖1的方式，在Sb03粉末存在的情況下，在40(TC下焙燒氧化金屬Ti 片1小時，可以得到Sb摻雜的二氧化鈦薄膜。以同樣的條件下熱處理氧化金屬Ti片，可以 得到無摻雜的二氧化鈦薄膜，作為對比用。 各裁取摻雜和無摻雜的二氧化鈦薄膜，用砂紙打磨一角，去掉氧化膜，用銀導電膠 把銅線(10cmX1.5mm)和的導電面粘在一起，放置紅外燈下2小時烘干，接著用單組分室溫 固化硅橡膠封裝裸露的銅線和銀膠以及多余的導電面，并固定工作電極的面積，在空氣中 室溫晾干24小時，得到Ti02工作電極。 將半導體1102電極作為工作電極，對電極金屬Pt片，參比電極為Ag/AgCl，電解液 為1. OM KOH，光源為氙燈，通過水槽濾掉紅外光，通過濾光片濾掉420nm以下的紫外光得到 可見光。把電極固定在帶有石英窗口的自制的電解池中，依次測定它們在可見光照射下的 光電流曲線(圖3)。圖3示出Sb摻雜的二氧化鈦薄膜電極(a)和未摻雜的Ti02薄膜電極 (b)在暗態(tài)和可見光照射下的電流 時間曲線，從圖中可以看出，在可見光的照射下，依本 發(fā)明制備的Sb摻雜的納米1102薄膜表現(xiàn)出光電響應，短路光電流為0. 086 A. cm—2，是未摻雜的Ti02薄膜的光電流的1. 39倍(圖3)。
實施例2 : 通過熱處理的方法制備Sb摻雜的納米Ti02薄膜，先將金屬鈦片進行處理，除去表 面的氧化層，然后利用圖1的方式，在Sb03粉末存在的情況下，在42(TC下焙燒氧化金屬Ti 片1小時，可以得到Sb摻雜的二氧化鈦薄膜。以同樣的溫度下熱處理氧化金屬Ti片，可以 得到無摻雜的二氧化鈦薄膜，作為對比用。 測試條件同實施例1，依次測定它們在可見光照射下的光電流曲線(圖4)。從圖 中可以看出，在可見光的照射下，Sb摻雜的二氧化鈦薄膜電極表現(xiàn)出光電響應，短路光電流 為0. 13 A. cm—2，是未摻雜的Ti02薄膜電極的光電流的1. 86倍(圖4)。圖5是樣品的Ti 元素和Sb元素XPS測定結果，從圖中可見Sb摻雜Ti02薄膜中的Sb元素峰，表明成功實現(xiàn) 了 Sb的摻雜。
實施例3 : 通過熱處理的方法制備Sb摻雜的納米Ti02薄膜，采用磁控濺射方法得到的金屬 鈦薄膜作為先驅體，然后利用圖1的方式，在Sb03粉末存在的情況下，在42(TC下焙燒氧化 金屬Ti薄膜1小時，可以得到Sb摻雜的二氧化鈦薄膜。以同樣的條件下熱處理氧化金屬 Ti薄膜，可以得到無摻雜的二氧化鈦薄膜，作為對比用。 各裁取摻雜和無摻雜的二氧化鈦薄膜，利用SEM測定其表面形貌(圖6)，從圖6中 可見無摻雜的二氧化鈦薄膜呈現(xiàn)典型的熱處理氧化濺射Ti后的表面形貌(圖6a)，而Sb203 存在時焙燒得到Sb摻雜的二氧化鈦薄膜呈現(xiàn)出細致的納米結構(圖6b)。
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權利要求
一種可見光活性的銻摻雜納米二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于在Sb2O3粉末存在的情況下，在400～450℃溫度下焙燒氧化金屬Ti片或Ti薄膜，焙燒時間為0.5～1.5小時，即得到所需的銻摻雜的二氧化鈦薄膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于納米二氧化鈦薄膜制備技術領域，具體為一種可見光活性的銻摻雜納米二氧化鈦薄膜的制備方法。本發(fā)明所用的原材料為金屬鈦片或Ti薄膜，以及Sb2O3粉末。通過熱處理的方法制備Sb摻雜的納米TiO2薄膜，即在SbO3粉末存在的情況下，在一定的溫度下焙燒氧化金屬Ti片或Ti薄膜，得到Sb摻雜的二氧化鈦薄膜。通過控制熱處理溫度和時間來控制薄膜的厚度以及Sb的摻雜量。本發(fā)明工藝簡單，可避免使用昂貴的設備，降低制備成本。
文檔編號B82B3/00GK101723316SQ20091020024
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權日2009年12月10日
發(fā)明者崔曉莉, 顧一蓓 申請人:復旦大學