一种超薄g-C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超薄g‑C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜及其制备方法。其特征在于，所述薄膜由超薄g‑C3N4覆盖的金红石型TiO2纳米棒阵列与穗状棒束两种同质异形的TiO2纳米结构高低交错构成，所述方法以无机硫酸钛为原料，在酸性条件下，通过一步水热反应在FTO玻璃上沉积出前驱体薄膜，再经焙烧，得到金红石型TiO2同质异形阵列薄膜，再利用三聚氰胺分解产生的气体经化学气相沉积在TiO2同质异形阵列薄膜上沉积一层超薄卷曲g‑C3N4。本发明专利技术所述制备方法操作简单，反应条件温和，作为光电极，在光电催化水中有机染料降解、光电催化水分解制氢领域有重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种超薄g-C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜及其制备方法
本专利技术属于光电催化材料领域，涉及一种超薄g-C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜的制备方法，具体地说，是涉及超薄g-C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜光电催化材料的制备方法。
技术介绍
金红石型TiO2的本征半导体禁带宽度为3.0eV，光吸收主要集中在紫外区，对可见光响应较差，且存在光生电子-空穴对复合率高和量子效率低的问题，这极大限制了TiO2在光催化领域的应用。g-C3N4的禁带宽度为2.7eV，具备可调控带隙宽度对环境友好和优异的热稳定性，对可见光有响应。将g-C3N4和TiO2复合，有利于拓宽光响应，减少光生电子-空穴对的复合，大大提高光催化效率。目前，g-C3N4的制备方法主要有热缩聚法。采用热聚法通常得到体相结构的g-C3N4，比表面积小，活性位点少。需要采用化学剥离法或液相超声剥离法，才能得到薄的纳米片，其操作步骤繁琐、剥离效率低、产率低，难以制备大面积的超薄纳米片。制备大面积的g-C3N4超薄纳米片有利于提高光利用率。
技术实现思路
本专利技术针对现有制备g-C3N4/TiO2的合成过程复杂、反应条件苛刻、难以制备大面积的超薄纳米片等缺点，公开一种超薄g-C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜及其制备方法。其特征在于，所述薄膜由超薄卷曲g-C3N4覆盖的金红石型TiO2纳米棒阵列与穗状棒束两种同质异形的纳米结构构成，所述方法以无机硫酸钛为原料，在酸性条件下通过一步水热反应再焙烧工艺，在FTO玻璃表面生长金红石型TiO2同质异形阵列薄膜，再利用三聚氰胺分解产生的气体经化学气相沉积在TiO2同质异形阵列薄膜上沉积一层超薄卷曲g-C3N4。本专利技术采用以下技术方案予以实现：(1)FTO玻璃的预处理：将FTO玻璃切割成规格为1cm×2.5cm小片，然后将其依次浸入到丙酮、无水乙醇、去离子水中，分别超声2-5min，充分清洗干净后，在70℃干燥2h。(2)TiO2纳米棒与穗状棒束交错阵列的制备：将0.2-0.3g的硫酸钛溶解于去离子水中，然后加入4-8ml浓盐酸，配成20ml均匀透明的混合溶液。将混合溶液转移到带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再将步骤(1)预处理的两片FTO玻璃相对竖直放置在溶液中，然后将高压釜密封，在120-200℃下加热1-12h。反应结束后，将高压釜自然冷却至室温，取出FTO玻璃，依次用去离子水和乙醇清洗三遍，在70℃干燥2h。最后将干燥的FTO玻璃放入管式炉中，以1-10℃/min的升温速率升温到500-600℃，保温1-4h，得到TiO2纳米棒与穗状棒束同质异形阵列薄膜。(3)将生长TiO2同质异形阵列薄膜的FTO导电玻璃置于反应池中，将反应池放入容器中，取100-300mg三聚氰胺(尿素或双氰胺)放入容器中，密闭。放入管式炉中以2-10℃/min的速度升到500℃-600℃，保温1-3h。本专利技术的优点在于，可制备大面积的g-C3N4超薄卷曲纳米片，且超薄卷曲纳米片的厚度可调。制备大面积的g-C3N4超薄卷曲纳米片有利于提高可见光的利用率，同时提高了对紫外光的透过率，确保TiO2充分利用紫外光，且制备的大面积g-C3N4超薄卷曲纳米片与TiO2纳米棒与穗状棒束同质异形阵列的接触面积增大，有利于提高光生载流子的分离效率；该方法所制备的金红石型TiO2纳米棒阵列与穗状棒束两种同质异形的纳米结构具有异质结结构，能够进一步改进TiO2的光电催化性能。应用在光催化电解水产氢和水中有机染料光电催化降解领域，表现出优异催化性能。附图说明图1为实施例一所制得的超薄g-C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜样品的XRD谱图。图2为实施例一所制得的TiO2同质异形阵列薄膜样品和超薄g-C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜样品的SEM照片。图3为实施例一所制得的超薄g-C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜样品光电降解罗丹明B溶液的UV-Vis吸收光谱。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术作进一步详细说明：实施例一：(1)将FTO玻璃切割成规格为10mm×25mm小片，然后将其依次浸入到丙酮、无水乙醇、去离子水中，分别超声2min，充分清洗干净后，在70℃干燥2h。(2)将0.24g的硫酸钛溶解于去离子水中，然后加入5ml浓盐酸，配成20ml均匀透明的混合溶液。将混合溶液转移到带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再将步骤(1)预处理的两片FTO玻璃相对竖直放置在溶液中，然后将高压釜密封，在180℃下加热2h。反应结束后，将高压釜自然冷却至室温，取出FTO玻璃，依次用去离子水和乙醇清洗三遍，在70℃干燥2h。最后将干燥的FTO玻璃放入管式炉中，以10℃/min的升温速率升温到500℃，保温2h，得到TiO2纳米棒与穗状棒束同质异形体交错阵列薄膜。(3)将生长TiO2同质异形阵列薄膜的FTO导电玻璃置于反应池中，将反应池放入容器中，取250mg三聚氰胺放入容器中，密闭。放入管式炉中以10℃/min的速度升到500℃，保温2h。实施例二：(1)将FTO玻璃切割成规格为10mm×25mm小片，然后将其依次浸入到丙酮、无水乙醇、去离子水中，分别超声2min，充分清洗干净后，在70℃干燥2h。(2)将0.24g的硫酸钛溶解于去离子水中，然后加入5ml浓盐酸，配成20ml均匀透明的混合溶液。将混合溶液转移到带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再将步骤(1)预处理的两片FTO玻璃相对竖直放置在溶液中，然后将高压釜密封，在180℃下加热2h。反应结束后，将高压釜自然冷却至室温，取出FTO玻璃，依次用去离子水和乙醇清洗三遍，在70℃干燥2h。最后将干燥的FTO玻璃放入管式炉中，以10℃/min的升温速率升温到500℃，保温2h，得到TiO2纳米棒与穗状棒束同质异形体交错阵列薄膜。(3)将生长TiO2同质异形阵列薄膜的FTO导电玻璃置于反应池中，将反应池放入容器中，取250mg三聚氰胺放入容器中，密闭。放入管式炉中以10℃/min的速度升到550℃，保温2h。实施例三：(1)将FTO玻璃切割成规格为10mm×25mm小片，然后将其依次浸入到丙酮、无水乙醇、去离子水中，分别超声2min，充分清洗干净后，在70℃干燥2h。(2)将0.24g的硫酸钛溶解于去离子水中，然后加入5ml浓盐酸，配成20ml均匀透明的混合溶液。将混合溶液转移到带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再将步骤(1)预处理的两片FTO玻璃相对竖直放置在溶液中，然后将高压釜密封，在180℃下加热1h。反应结束后，将高压釜自然冷却至室温，取出FTO玻璃，依次用去离子水和乙醇清洗三遍，在70℃干燥2h。最后将干燥的FTO玻璃放入管式炉中，以10℃/min的升温速率升温到500℃，保温2h，得到TiO2纳米棒与穗状棒束同质异形体交错阵列薄膜。(3)将生长TiO2同质异形阵列薄膜的FTO导电玻璃置于反应池中，将反应池放入容器中，取250mg三聚氰胺放入容器中，密闭。放入管式炉中以10℃/min的速度升到500℃，保温1h。实施例四：(1)将FTO玻璃切割成规格为10mm×25mm小片，然后将其依次浸入到丙酮、无水乙醇、去离子水中，分别超声2min，充分清洗干净后，在70℃干燥2h。(2)将0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超薄g‑C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜及其制备方法，其特征在于，所述薄膜由超薄卷曲g‑C3N4覆盖的金红石型TiO2纳米棒阵列与穗状棒束同质异形阵列纳米结构构成，其制备方法包括下述步骤：(1)FTO玻璃的预处理：将FTO玻璃切割成规格为1cm×2.5cm小片，然后将其依次浸入到丙酮、无水乙醇、去离子水中，分别超声2‑5min，充分清洗干净后，在70℃干燥2h；(2)TiO2纳米棒与穗状棒束同质异形阵列的制备：将0.2‑0.3g的硫酸钛溶解于去离子水中，然后加入4‑8ml浓盐酸，配成20ml均匀透明的混合溶液；将混合溶液转移到带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再将步骤(1)预处理的两片FTO玻璃相对竖直放置在溶液中，然后将高压釜密封，在120‑200℃下加热1‑12h；反应结束后，将高压釜自然冷却至室温，取出FTO玻璃，依次用去离子水和乙醇清洗三遍，在70℃干燥2h；最后将干燥的FTO玻璃放入管式炉中，以1‑10℃/min的升温速率升温到500‑600℃，保温1‑4h，得到TiO2纳米棒与穗状棒束同质异形阵列薄膜；(3)将负载TiO2同质异形阵列薄膜的FTO导电玻璃置于反应池中，将反应池放入容器中，取100‑500mg三聚氰胺(尿素或双氰胺)放入容器中，密闭，再放入管式炉中以2‑10℃/min的速度升到500℃‑600℃，保温1‑4h。...

【技术特征摘要】
1.一种超薄g-C3N4覆盖的TiO2同质异形阵列薄膜及其制备方法，其特征在于，所述薄膜由超薄卷曲g-C3N4覆盖的金红石型TiO2纳米棒阵列与穗状棒束同质异形阵列纳米结构构成，其制备方法包括下述步骤：(1)FTO玻璃的预处理：将FTO玻璃切割成规格为1cm×2.5cm小片，然后将其依次浸入到丙酮、无水乙醇、去离子水中，分别超声2-5min，充分清洗干净后，在70℃干燥2h；(2)TiO2纳米棒与穗状棒束同质异形阵列的制备：将0.2-0.3g的硫酸钛溶解于去离子水中，然后加入4-8ml浓盐酸，配成20ml均匀透明的混合溶液；将混合溶液转移到带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再将...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德宝，李洪浩，宋彩霞，耿世泽，周艳红，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37