一种具有高光催化效率的二氧化钛纳米棒薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高光催化活性的二氧化钛纳米棒薄膜、其制备方法及应用。所述薄膜是由锐钛矿相或金红石相的TiO2纳米棒组成，薄膜厚度为200‑2200nm。该薄膜的制备方法是采用磁控溅射法，包括步骤：将用于制备薄膜的基片清洗处理；将钛靶和上述清洁好的基片送入磁控溅射腔体中并调节靶‑基底的距离；先通入惰性气体预溅射靶材,再通入氧气，在基片上进行二氧化钛纳米棒薄膜的沉积，制得二氧化钛纳米棒薄膜。本发明专利技术制备方法中反应气体仅为O2，通过调节氧气流量和薄膜沉积时间可以控制薄膜的形貌及厚度，所制得的薄膜具有较高的光催化活性，将其置于含有100ml的甲醇水溶液(CH3OH:H2O＝1:10v/v)的石英反应容器中，在300W的氙灯照射下，薄膜具备1‑40mmol·m

【技术实现步骤摘要】
一种具有高光催化效率的二氧化钛纳米棒薄膜及其制备方法
本专利技术涉及半导体光催化
，特别涉及到二氧化钛光催化薄膜
，具体而言，涉及一种具有高光催化效率的二氧化钛纳米棒薄膜及其制备方法。
技术介绍
随着人们对洁净新能源的需求日益增加，氢能源走进了人们的视线。它被认为是解决目前温室气体大量排放以及舒缓石油资源日益枯竭的有效手段之一。但是时至今日，接近90％的氢气是由石油产出的，而且在生产氢气的同时也伴随着大量温室气体的排放。上世纪70年代，日本科学家Fujishima和Honda在实验室以二氧化钛为催化电极，成功地实现了以光为驱动能源分解水制氢。这一伟大的发现引起了科学研究者们极大的兴趣，并得到了广泛的研究。TiO2作为一种重要的半导体材料，具有优良的光学、电学特性，加之耐光腐蚀能力强、化学、力学性能稳定、价格低廉及对人体无毒性等优点，因而在光电化学、太阳能电池、光催化分解水制氢、光催化降解污染物、自清洁玻璃等领域有着广泛的应用前景。TiO2光催化技术的发展主要经历了以下三个阶段：初期悬浮态的TiO2颗粒的研究；由于TiO2颗粒的分离困难和不能循环使用等缺点，20世纪90年代后期，TiO2光催化重点转移到二氧化钛固定化技术的研究。这个时期发展起来的TiO2固定化技术主要有溶胶凝胶法，化学气相沉积法，磁控溅射法；近20年的TiO2光催化技术主要集中在对TiO2进行一系列的技术改进，包括离子掺杂、表面光敏化、复合半导体等，以达到更有效的利用太阳光分解水制氢、降解有机物的目的。此外，一维纳米结构(如：纳米线、纳米棒、纳米管、纳米纤维等)，由于其结晶性好、具有独特的物理和化学结构、可以为载流子运输提供直线运输通道等优点，近年来也引起了研究人员的广泛研究。在实际应用中，TiO2的制备方法很多，其中磁控溅射法是生长薄膜常用的方法，与其他方法相比，磁控溅射具有成膜面积大，薄膜与基材的结合力高，成膜致密均匀，制备薄膜易于控制等优点，被广泛应用于TiO2薄膜的研究与生产。中国专利技术专利CN101892460A公开了一种多孔TiO2薄膜的制备方法，它是采用磁控溅射在基材上生长金属锌薄膜，然后在金属锌薄膜上溅射生长氧化钛薄膜，得到单质锌和钛氧化物的复合膜层，再在酸液中浸泡得到二氧化钛多孔膜。中国专利技术专利CN102864481A公开了一种多孔结构TiO2薄膜及其制备方法，它是采用磁控溅射技术在基体上溅射沉积钛膜，然后以该钛膜为阳极，石墨为阴极，通过阳极氧化钛膜得到二氧化钛薄膜，然后再进一步地对二氧化钛薄膜进行处理，所得到的二氧化钛光催化薄膜具有海绵状多孔结构。中国专利技术专利CN201010608428、CN200810118107、CN200610052743、CN201210040343等还公开了采用水热法、液相化学沉积法等方法制备二氧化钛纳米棒薄膜。比如，中国专利技术专利CN201010608428公开了以四异丙氧基钛的盐酸溶液为钛源，利用醋酸控制酸度进而控制TiO2水解速度，采用水热法在导电玻璃衬底上制备TiO2纳米棒阵列薄膜；中国专利技术专利CN200810118107公开了将涂有晶种的基底浸没于含有无机盐的钛盐水溶液中，于30～100℃下恒温，在基底表面生长出纳米棒阵列，将基底取出，清洗干燥后，即可得到与基底结合的二氧化钛纳米棒阵列薄膜。但是这些方法所制得的二氧化钛纳米棒薄膜均存在成膜不均匀、成膜面积小、工艺复杂、薄膜形貌难以控制、制备的薄膜主要暴露热力学相对稳定的晶面致使光催化活性低等问题，因而很难被用于实际应用和生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二氧化钛纳米棒薄膜及其制备方法，所述纯二氧化钛纳米棒薄膜具有高光催化效率，所述方法工艺简单。具体而言，本专利技术的方法中采用磁控溅射法，具有薄膜沉积速度快、沉积面积大，成膜均匀，薄膜附着力强，容易实现薄膜低温沉积、膜厚可精确控制，从动力学上控制薄膜的生长容易暴露高活性晶面促使制备的纳米棒薄膜具有超高的光催化活性等优点，因而可以有效克服现有的薄膜制备方法所存在的缺陷。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种用于光催化的二氧化钛纳米棒薄膜，该薄膜主要由锐钛矿相或者金红石相的TiO2纳米棒组成，所述薄膜的厚度为200-2200nm。本专利技术中的二氧化钛纳米棒薄膜的性能测试设备是采用光催化分解水制氢系统，具体测试方法如下：(1)将薄膜置于含有100ml的甲醇水溶液(CH3OH:H2O＝1:10v/v)的石英反应容器中；(2)利用机械泵除去测试系统中的空气，时长约1h；(3)将300W的氙灯光源置于薄膜样品正上方15cm处；(4)生成的氢气每隔1h，通过气相色谱进行检测。本专利技术的二氧化钛纳米棒薄膜暴露有较多的高活性晶面，具有较高的光催化活性，按照上述测试方法，本专利技术的二氧化钛纳米棒薄膜具备1-40mmol·m-2·h-1的产氢速率。相比较而言，那些主要暴露热力学相对稳定的晶面的二氧化钛纳米棒薄膜，光催化活性低于本专利技术的二氧化钛纳米棒薄膜，产氢速率低于1mmol·m-2·h-1。可见，本专利技术的二氧化钛纳米棒薄膜具有高光催化效率。本专利技术还提供了一种二氧化钛纳米棒薄膜的制备方法，其主要通过磁控溅射法，在Ar气氛中，调节氧气流量和薄膜沉积时间，制备出具有高光催化效率的纯二氧化钛纳米棒薄膜。该方法制备工艺简单，所用的主要设备有反应磁控溅射镀膜系统，制备步骤如下：1)将用于制备薄膜的基片清洗处理；2)将钛靶和上述清洁好的基片装入磁控溅射腔体中，并调节靶-基底之间的距离；3)先通入惰性气体预溅射靶材,再通入氧气，在基片上进行二氧化钛纳米棒薄膜的沉积。为了获得更高光催化性能的二氧化钛纳米棒薄膜，优选：步骤3)中通入氧气的流量为4-30sccm。步骤3)中通入氧气开始进行二氧化钛纳米棒薄膜的溅射沉积，溅射沉积的时间为4-60h。所述用于制备薄膜的基片为玻璃或陶瓷基片，例如石英玻璃、FTO玻璃、AZO玻璃、蓝宝石玻璃或硅片。步骤2)中基片和钛靶之间的距离为90～130mm，例如110mm。步骤2)中先将磁控溅射腔体中通入惰性气体(例如氮气)，在惰性气体保护下装入靶材与基片，将磁控溅射腔体抽真空至低于5.0×10-3Pa。步骤2)中腔体抽真空后对基片进行热处理，例如在300～500℃加热1～3h。步骤3)中，溅射功率为100-150W，基片温度为400℃-600℃，工作气压为0.2-0.5Pa。步骤3)中，所述惰性气体为氩气，氩气流量为30-60sccm。例如，关闭基片挡板，通入氩气后预溅射20～40min，以除去钛靶表面的污染。所制得的二氧化钛纳米棒薄膜的厚度为200-2200nm。在具体的技术方案中，该二氧化钛纳米棒薄膜的制备方法包括如下步骤：(1)将用于制备薄膜的玻璃或者陶瓷基底清洗处理；(2)将磁控溅射设备的腔体内通入氮气，在氮气的保护下，打开顶盖装入靶材与基片，将靶材与基片的间距调节为90～130mm；(3)利用机械泵和分子泵抽真空。待腔体真空低于5.0×10-3Pa时，开始对基片进行热处理：将石英基片维持在400℃二个小时左右，用以除气；(4)关闭基片挡板，通入氩气(30-60sccm)。将溅射功率调节至100-150W，总工作气压调节至0.5Pa，靶材预溅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于光催化的二氧化钛纳米棒薄膜，其特征在于：所述薄膜是由锐钛矿相或金红石相的TiO2纳米棒组成，该薄膜具备1‑40mmol·m

【技术特征摘要】
1.一种用于光催化的二氧化钛纳米棒薄膜，其特征在于：所述薄膜是由锐钛矿相或金红石相的TiO2纳米棒组成，该薄膜具备1-40mmol·m-2·h-1的产氢速率。2.如权利要求1所述的二氧化钛纳米棒薄膜，其特征在于，该薄膜的厚度为200-2200nm。3.一种二氧化钛纳米棒薄膜的制备方法，包括如下步骤：1)将用于制备薄膜的基片清洗处理；2)将钛靶和上述清洁好的基片送入磁控溅射腔体中，并调节靶-基片的距离；3)先通入惰性气体预溅射靶材,再通入氧气，在基片上进行二氧化钛纳米棒薄膜的沉积，制得二氧化钛纳米棒薄膜。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中通入氧气的流量为4-30sccm。优选地，步骤3)中通入氧气开始进行二氧化钛纳米棒薄膜的溅射沉积，溅射沉积的时间为4-60h。5.如权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述用于制备薄膜的基片为玻璃或陶瓷基片。优选地，所述用于制备薄膜的基片为石英玻璃、FTO玻璃、AZO玻璃、蓝宝石玻璃或硅片。6.如权利要求3-5任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭旺，胡倩倩，黄集权，邓种华，李国京，王充，陈剑，江亚斌，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35