一种Fe掺杂纳米管阵列膜的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种Fe掺杂纳米管阵列膜的制备方法及其应用。采用本发明专利技术的方法，能够形成直径40-60nm的多孔纳米管阵列膜，纳米管垂直于基体表面排列。相比于TiO2纳米管阵列膜样品，本发明专利技术的Fe掺杂纳米管阵列膜具有更好的光催化活性。

【技术实现步骤摘要】
一种Fe掺杂纳米管阵列膜的制备方法及其应用
本专利技术涉及催化剂合成和化工
，尤其涉及一种Fe掺杂纳米管阵列膜的制备方法及其应用。
技术介绍
T12是一种化学性能优良和光稳定性高的半导体材料。阳极氧化技术制备的T12纳米管阵列膜以高度有序的阵列形式排列，分布均匀。纳米管具有极高的有序结构和很高的量子效应，可通过调整一系列制备参数达到纳米管管径(22?200nm)、管长(200?250 μ m)、管壁厚度(7?IlOnm)和结构(无定形、锐钛矿或金红石)的可控，稳定性高。该高度有序的二氧化钛纳米管阵列垂直排列在表面，允许电荷沿着纳米管从溶液到导电基体的顺畅传输，从而减少了在纳米颗粒之间电荷跃迁的损失。另外电子运输能力的提升还提高了光的吸收。这种新型的纳米T12材料具有独特的性能，在光催化、气敏传感器、光解水制氢、生物材料等领域已显示出极大的应用前景。 T12的禁带宽度为380nm左右，只能吸收波长小于387.5nm的太阳光。而到达地球表面的太阳光中紫外光(λ < 400nm)辐射部分只占了整个太阳光能谱的4%左右，可见光约为45%，因此开发可见光响应型光催化剂成为目前光催化领域的一个重要课题。此外，T12光催化还存在量子效率偏低、光生电子与空穴的复合几率高和降解速率不快的问题。已有研究表明，采用金属离子掺杂等方法对T12进行适当的掺杂或表面改性，不仅可有效地抑制光生电子和空穴的复合，而且可扩展T12对可见光的吸收范围从而提高其光催化性能。通过掺杂，T12的内在性能能够调控，并且其晶体结构也不会随掺杂浓度而改变。Fe的氧化物FeO (方铁矿)，Fe2O3 ( α -赤铁矿、Υ -磁赤铁矿)和Fe3O4 (磁铁矿)有十分优异的性能，被广泛用于能量存储、催化、传感、磁性共振成像等方面。Fe的掺杂可降低T12的禁带宽度，增加其在可见光区的催化活性。 有人采用类似制备T12纳米管阵列膜的方法，用恒电位阳极氧化Fe箔片的方法形成了多孔的铁氧化物膜层，这种方法制备的纳米管有序性比较差。也有人在400°C时在FTO导电玻璃上用T1-Fe基粉末靶溅射制备T1-Fe薄膜，然后阳极氧化制备T1-Fe-O纳米管用于水的解离。这种方法制备的纳米管的有序性也比较差，而且这种方法受靶材限制只有一种Fe掺杂浓度，要改变浓度需要重新制备T1-Fe基粉末靶。也有报道用化学法，以Fe (NO3) 3和HF的混合水溶液为电解液采用一步阳极氧化法实现Fe3+在T12纳米管阵列膜层中的掺杂。掺杂后的样品在可见光区的光催化活性有所提高，对其掺杂机理进行分析发现过高的Fe3+浓度会阻止化学溶解过程的发生，以至于Ti基体阳极氧化后表面只有局部形成纳米管阵列；Raman的测试结果显示，Fe3+的掺入可有效地阻止T12由锐钛矿相向金红石相的转变，而且由于与Ti4+半径相近的Fe3+在掺杂过程中进入了 T12的晶格，使晶格发生畸变，谱峰有宽化的趋势；Fe3+的掺入使T12纳米管阵列的光电流增大，光吸收带边红移，在紫外光照射下对亚甲基蓝的光催化降解速率提高了 73%。T12纳米管阵列光催化活性的提高主要归因于适量的Fe3+掺杂有助于光生电子-空穴的分离。然而这种化学方法制备的纳米管掺杂均匀性比较差，而且在管中掺杂浓度比较难以控制。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术所要解决的问题是提出一种Fe掺杂纳米管阵列膜的制备方法及应用。为了实现本专利技术的目的，拟采用如下技术方案: 本专利技术一方面涉及一种Fe掺杂纳米管阵列膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤: (I)采用配备有2个射频溅射靶的磁控溅射镀膜机，以99.999%以上和99.99%以上纯度的T1、Fe作为金属靶，溅射气体为Ar气；将真空室抽至I X 10_4Pa以下，溅射气压为 2-3Pa ；ΙΤ0玻璃基板用丙酮、乙醇和二次去离子水超声波清洗；于室温下在Ar流量下ITO玻璃上首先溅射Ti膜，溅射功率80-120W沉积2.0-3.0小时，再使用励磁电源4-6Α，直流电源0.2-0.4A\280-320V下溅射4_6min Fe膜，再使用之前Ti膜沉积的条件沉积2.0-3.0h的Ti膜得到Ti\Fe\Ti三明治结构复合膜层； (2)将Ti\Fe\Ti三明治结构超薄复合膜层样品在280-320 °C下，保护气体为90-98%的氩气和10-2%的氢气中烧结20-40min，进行退火处理，形成Fe掺杂的Ti膜层； (3)采用两电极体系，将步骤(2)得到的Fe掺杂的Ti膜层为工作电极，钼片为对电极，在20-30°C，25-35V恒电压下，对Ti\Fe\Ti三明治结构超薄复合膜进行恒电位阳极氧化处理，待膜变透明之后，取出样品，用去离子水冲洗表面，在空气中晾干，即得到Fe掺杂的T12纳米结构膜层。 在本专利技术的一个优选实施方式中，步骤(3)中所用电解液其组成为0.5wt% NH4F,2vol %去离子水,98vol % 乙二醇，pH6.8-7.2。 本专利技术另一方面还涉及采用上述方法所制备的Fe掺杂纳米管阵列膜。 本专利技术另一方面还涉及上述Fe掺杂纳米管阵列膜的应用，所述的应用是指作为光催化剂的应用；优选的，作为亚甲基蓝光催化降解的催化剂。 【附图说明】 图1:退火前后Ti\Fe\Ti三明治结构超薄复合膜层XRD相图；退火前，可以看到Ti的金属峰，由于Fe纳米薄膜很好的分散于Ti膜中，并没有检测到金属Fe峰。退火后，T1-Fe薄膜生成新的相，FeTi和Fe2Ti合金相。 图2 =Fe掺杂的T12纳米管阵列SEM图；图中可以看到，经过阳极氧化，致密的Ti膜生成了直径约为50nm左右的多孔纳米管阵列膜，纳米管有序的排列，并垂直于基体表面。 图3不同制备方法得到的光催化剂对亚甲基蓝溶液的光催化降解效果。亚甲基蓝溶液在没有催化剂的情况下，自身存在一定程度的光分解。电泳沉积法(EPD)制备的样品具有最弱的光催化活性，其次是溶胶凝胶法Sol-gel法制备的样品。接着是无掺杂的T12纳米管阵列膜样品，最好光催化活性的是Fe掺杂的T12纳米管阵列膜样品。 具体实施方案 下面结合实例对本专利技术做进一步详细说明，但是此说明不会构成对本专利技术的限制。 实施例1 实验步骤: Fe掺杂的T12纳米管阵列制备方法如下: 步骤一:采用JGP450型磁控溅射镀膜机，该镀膜机配备有2个射频溅射靶，其中T1、Fe膜的溅射使用99.999%和99.99%纯度的T1、Fe金属靶，溅射气体为Ar气；首先将真空室抽至I X 10_4Pa，溅射气压为2-3Pa。ITO玻璃基板用丙酮、乙醇和二次去离子水超声波清洗15min。于室温下在Ar流量为8sCCm下ITO玻璃上首先溅射Ti膜，溅射功率100W沉积2.5小时，再使用励磁电源5A，直流电源0.3A\300V下溅射5min Fe膜，再使用之前Ti膜沉积的条件沉积2.5h的Ti膜得到Ti\Fe\Ti三明治结构超薄复合膜层。 将样品在300°C下，保护气体为95%的氩气和5%的氢气中烧结30min，进行退火处理，形成Fe掺杂的Ti膜层。 图1为退火前后Ti\Fe\Ti三明治结构超薄复合膜层XRD相图；退火前，可以看到Ti的金属峰，由于F本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Fe掺杂纳米管阵列膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)采用配备有2个射频溅射靶的磁控溅射镀膜机，以99.999％以上和99.99％以上纯度的Ti、Fe作为金属靶，溅射气体为Ar气；将真空室抽至1×10‑4Pa以下，溅射气压为2‑3Pa；ITO玻璃基板用丙酮、乙醇和二次去离子水超声波清洗；于室温下在8sccm Ar流量下ITO玻璃上首先溅射Ti膜，溅射功率80‑120W沉积2.0‑3.0小时，再使用励磁电源4‑6A，直流电源0.2‑0.4A\280‑320V下溅射4‑6min Fe膜，再使用之前Ti膜沉积的条件沉积2.0‑3.0h的Ti膜得到Ti\Fe\Ti三明治结构复合膜层；(2)将Ti\Fe\Ti三明治结构超薄复合膜层样品在280‑320℃下，保护气体为90‑98％的氩气和10‑2％的氢气中烧结20‑40min，进行退火处理，形成Fe掺杂的Ti膜层；(3)采用两电极体系，将步骤(2)得到的Fe掺杂的Ti膜层为工作电极，铂片为对电极，在20‑30℃，25‑35V恒电压下，对Ti\Fe\Ti三明治结构超薄复合膜进行恒电位阳极氧化处理，待膜变透明之后，取出样品，用去离子水冲洗表面，在空气中晾干，即得到Fe掺杂的TiO2纳米结构膜层。...

【技术特征摘要】
1.一种Fe掺杂纳米管阵列膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤: (1)采用配备有2个射频溅射靶的磁控溅射镀膜机，以99.999%以上和99.99%以上纯度的T1、Fe作为金属靶，溅射气体为Ar气；将真空室抽至lX10_4Pa以下，溅射气压为2-3Pa ；ITO玻璃基板用丙酮、乙醇和二次去离子水超声波清洗；于室温下在Ssccm Ar流量下ITO玻璃上首先溅射Ti膜，溅射功率80-120W沉积2.0-3.0小时，再使用励磁电源4-6Α，直流电源0.2-0.4A\280-320V下溅射4_6min Fe膜，再使用之前Ti膜沉积的条件沉积2.0-3.0h的Ti膜得到Ti\Fe\Ti三明治结构复合膜层； (2)将Ti\Fe\Ti三明治结构超薄复合膜层样品在280-320°C下，保护气体为90-98%的氩气和10-2%的氢气中烧结20-40min，进行退火处理，形成Fe掺杂的Ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：左娟，周斯栋，刘旭，雷世忠，王镇国，
申请(专利权)人：左娟，
类型：发明
国别省市：福建;35