一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法及应用技术

一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法及在光催化产氢中的应用，属于半导体光催化材料制备技术领域。首先，以钛酸四丁酯为前驱体，采用水热反应法制备二氧化钛纳米片；然后在氩气和氢气的混合气体(Ar‑H2)，氩气、氢气和氮气的混合气体(Ar‑H2‑N2)，或者氩气和氧气的混合气体(Ar‑O2)的气体气氛下进行等离子体处理，对二氧化钛纳米片的表面进行改性。本发明专利技术等离子体处理后的二氧化钛纳米片用作光催化剂时，在可见光区域的吸收明显增强，且处理后的样品中形成的氧空位缺陷、氮元素的掺杂，有效提高了其光催化产氢活性。

A method of preparing titanium dioxide nanosheets based on plasma treatment and its application

A method for preparing titanium dioxide nanosheets based on plasma treatment and its application in photocatalytic hydrogen production belong to the field of semiconductor photocatalytic material preparation technology. First, titanium dioxide nanosheets were prepared by hydrothermal reaction using tetrabutyl titanate as precursor. Then, the surface of titanium dioxide nanosheets was modified by plasma treatment in the atmosphere of argon-hydrogen mixture (Ar_H2), argon-hydrogen-nitrogen mixture (Ar_H2_N2), or argon-oxygen mixture (Ar_O2). When the plasma treated titanium dioxide nanosheet is used as photocatalyst, the absorption in the visible light region is obviously enhanced, and the oxygen vacancy defect formed in the treated sample and the doping of nitrogen elements effectively improve the photocatalytic hydrogen production activity of the plasma treated titanium dioxide nanosheet.

【技术实现步骤摘要】
一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法及应用
本专利技术属于半导体光催化材料制备
，具体涉及一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法及应用，制得的二氧化钛纳米片的可见光光催化产氢活性明显增强。
技术介绍
随着全球化石燃料的严重消耗和环境污染日益严重的趋势，开发环境友好、低成本、高性能的新一代能量转换和存储系统是必不可少的。其中，太阳能基本上被认为是一种取之不尽的能量，氢气是一种清洁的新能源。利用光催化技术实现太阳能向氢能的有效转化，意味着人类有可能会永久性的解决环境污染与能源短缺问题。二氧化钛(TiO2)具有化学稳定性高、无毒、光电转换效率高、价格低廉等特点，已然成为一种最重要的半导体光催化剂，并且被广泛应用于空气净化、废水治理、污染物处理等领域。但是其量子效率低、电子-空穴对的复合率高和带隙宽(3.2eV)等缺陷大大阻碍了二氧化钛的发展前景。目前，等离子体技术被认为是一种制备或改性具有高电子温度和低气体温度的材料的有效手段。等离子体技术是一种低能耗的工艺，无需使用任何溶剂，不会产生化学废物，是对固态材料表面改性的一种新型技术。目前，采用等离子体技术对二氧化钛进行改性处理的研究主要包括对黑色二氧化钛金属等离子体处理(Pylnev,M.；Chang,W.-H.；Wong,M.-S.,ShelofblacktitaniapreparedbysputteringTiO2targetinH2+Arplasma.AppliedSurfaceScience2018,462,285-290.)、将纯二氧化钛纳米片在一种气氛中进行等离子体处理(Kondratowicz,I.；Nadolska,M.；S.；M.；-Welenc,M.；Sawczak,M.；Yu,E.H.；Sadowski,W.；K.,Tailoringpropertiesofreducedgrapheneoxidebyoxygenplasmatreatment.AppliedSurfaceScience2018,440,651-659.)等。然而，上述文献均未对等离子体处理后的材料的光催化产氢性能进行研究。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
存在的缺陷，提出了一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法及在光催化产氢中的应用。本专利技术方法简单，处理时间短，且得到的二氧化钛纳米片应用于光催化产氢时，可有效提高其光催化活性。本专利技术的技术方案如下：一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、采用水热反应法制备二氧化钛纳米片；步骤2、将步骤1制备得到的二氧化钛纳米片置于等离子体反应室的样品台上，然后对等离子体反应室进行抽真空处理，直至反应室的背底真空达到10-4～10-6Pa；步骤3、室温下，向反应室内通入氩气和氢气的混合气体(Ar-H2)，氩气、氢气和氮气的混合气体(Ar-H2-N2)，或者氩气和氧气的混合气体(Ar-O2)，直至反应室内的气体气压达到0.8～1.2Pa；步骤4、保持混合气体的持续通入，开启等离子体射频电源，在射频电源反应功率为1400～1800W、射频电源频率为2.0～3.0GHz的条件下，反应15～60min，反应完成后关闭射频电源，停止混合气体的通入；取出样品，即可得到等离子体处理后的二氧化钛纳米片。进一步地，步骤1所述采用水热反应法制备二氧化钛纳米片的过程具体为：首先，将钛酸四丁酯加入氢氟酸中，搅拌混合均匀，得到混合液A，其中，钛酸四丁酯与氢氟酸的体积比为(2～25):1；然后，将混合液A转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜内，在160～200℃下水热反应18～24h，反应完成后，自然冷却至室温，取出；最后，将反应后的反应液离心分离，得到的沉淀依次分别采用去离子水和乙醇清洗3次，并在60～80℃下干燥6h，研磨，得到二氧化钛纳米片。进一步地，步骤3中所述氩气和氢气的混合气体中，氩气与氢气的流量比为1：(0.5～2)；所述氩气、氢气和氮气的混合气体中，氩气、氢气和氮气的流量比为1:(0.5～2):(0.5～2)；所述氩气和氧气的混合气体中，氩气和氧气的流量比为1:(0.5～2)。本专利技术还提供了上述方法制备得到的二氧化钛纳米片光催化剂在光解水制氢中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提供了一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法，首先，以钛酸四丁酯为前驱体，采用水热反应法制备二氧化钛纳米片，然后在不同的气体气氛下进行等离子处理，对二氧化钛纳米片的表面进行改性。本专利技术等离子体处理后的二氧化钛纳米片用作光催化剂时，在可见光区域的吸收明显增强，且处理后的样品中形成的氧空位缺陷、氮元素的掺杂，有效提高了其光催化产氢活性。2、本专利技术提供了一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法，具有工艺简单、操作方便、处理周期短等优点，可广泛应用于二氧化钛光催化剂的改性处理中。附图说明图1为实施例1～3、对比例1得到的样品的XRD衍射图谱(a)，实施例1-2和对比例1的XPS全谱图(b)，实施例1-2的EPR图谱(c)；图2为实施例1～3、对比例1得到的样品的紫外可见漫反射图谱(a)和禁带宽度图(b)；图3为实施例1～3、对比例1得到的样品的扫描电镜图(SEM)和透射电镜图(TEM)；其中，(a)为实施例1的SEM，(b)为实施例2的SEM，(c)为实施例3的SEM，(d)为对比例1的TEM；图4为实施例1～3、对比例1得到的样品在可见光辐射下的光催化产氢性能图；图5为本专利技术实施例1～3在光照下催化产氢的机理图。具体实施方式下面将结合具体的实施例对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。应理解，所举实施例的目的在于进一步阐述本专利技术的内容，而不能在任何意义上解释为对本专利技术保护范围的限制。实施例1一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、采用水热反应法制备二氧化钛纳米片；1.1将25mL钛酸四丁酯加入3mL氢氟酸(浓度为40％)中，搅拌混合均匀，得到混合液A；1.2将混合液A转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜内，在180℃下水热反应24h，反应完成后，自然冷却至室温，取出；1.3将反应后的反应液离心分离，得到的沉淀依次分别采用去离子水和乙醇清洗3次，并在80℃下干燥6h，研磨，得到二氧化钛纳米片；步骤2、将步骤1制备得到的0.1g二氧化钛纳米片置于等离子体反应室的样品台上，然后对等离子体反应室进行抽真空处理，直至反应室的背底真空达到10-4Pa；步骤3、室温下，向反应室内通入氩气和氢气的混合气体(Ar-H2)，直至反应室内的气体气压达到1.07Pa，其中，氩气的流量为20sccm，氢气的流量为20sccm；步骤4、保持混合气体的持续通入，开启等离子体射频电源，在射频电源反应功率为1600W、射频电源频率为2.45GHz的条件下，反应30min，反应完成后关闭射频电源，停止混合气体的通入；取出样品(灰色粉末)，即可得到等离子体处理后的二氧化钛纳米片。实施例2本实施例与实施例1相比，区别在于：步骤3中，室温下，向反应室内通入氩气、氢气和氮气的混合气体(Ar-H2-N2)，直至反应室内的气体气压达到1.07Pa，其中，氩气的流量为30sccm，氢气的流量为20sccm，氮气的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、采用水热反应法制备二氧化钛纳米片；步骤2、将步骤1制备得到的二氧化钛纳米片置于等离子体反应室的样品台上，然后对等离子体反应室进行抽真空处理，直至反应室的背底真空达到10

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、采用水热反应法制备二氧化钛纳米片；步骤2、将步骤1制备得到的二氧化钛纳米片置于等离子体反应室的样品台上，然后对等离子体反应室进行抽真空处理，直至反应室的背底真空达到10-4～10-6Pa；步骤3、室温下，向反应室内通入氩气和氢气的混合气体，氩气、氢气和氮气的混合气体，或者氩气和氧气的混合气体，直至反应室内的气体气压达0.8～1.2Pa；步骤4、保持混合气体的持续通入，开启等离子体射频电源，在射频电源反应功率为1400～1800W、射频电源频率为2.0～3.0GHz的条件下，反应15～60min，反应完成后关闭射频电源，停止混合气体的通入；取出，即可得到等离子体处理后的二氧化钛纳米片。2.根据权利要求1所述的基于等离子体处理制备二氧化钛纳米片的方法，其特征在于，步骤1所述采用水热反应法制备二氧化钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：向全军，马夕阳，张怀武，廖宇龙，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51