一种基于氮化钛和氧化钛的新型光催化薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于氮化钛和氧化钛的新型光催化薄膜及其制备方法。该薄膜生长于钛金属衬底上，由TiN

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮化钛和氧化钛的新型光催化薄膜及其制备方法
本专利技术涉及一种基于氮化钛和氧化钛的新型光催化薄膜及其制备方法，属于光催化
，可用于空气净化、污水处理等环保领域。
技术介绍
半导体光催化技术利用光子激发半导体材料价带中的电子到导带，产生光生载流子。利用分离的光生载流子，可以引发特定氧化还原反应，实现大气或污水中污染物的降解脱除。纳米结构TiO2价格低廉、性能稳定、环境友好，是当前实际应用中最理想的半导体光催化剂。众多提升TiO2光催化效率技术中，担载Au、Ag等纳米颗粒可以产生表面等离子激元效应，增强光的吸收，从而有效提高效率。但是，Au、Ag等昂贵材料限制其规模化应用。已有一些关于TiN/TiO2复合光催化剂的研究。Chen等将NH4F、TiO2和TiN为原料，利用球磨技术得到TiN/F-TiO2粉末样品，其光催化活性高于纯TiO2和F掺杂TiO2(F-TiO2)，其中TiN最佳含量为0.2wt％(S.F.Chen,etal.,JournalofHazardousMaterials,2011,186:1560–1567.)。Fakhouri等利用射频磁控溅射技术，在相同的真空环境下连续进行TiN层和TiO2层的交替沉积，生长形成TiN/TiO2叠层结构，TiO2膜中嵌入TiN层明显提高光催化活性(H.Fakhouri,etal.,AppliedCatalysisA:General,2015,492:83–92.)。但是，粉末光催化剂在应用中存在分离回收难题，而磁控溅射等技术设备复杂、生产效率低，不利于产业化应用。本专利技术设计并实现了一种新型的基于氮化钛和氧化钛的光催化薄膜，其制备技术基于钛-双氧水-三聚氰胺的反应体系，以金属钛基底上制备一维氮化钛/氧化钛纳米线阵列为骨架主干，结合后续液相生长TiO2纳米片分支。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于氮化钛和氧化钛的新型光催化薄膜及其制备方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于氮化钛和氧化钛的新型光催化薄膜，是以TiN0.3和TiO0.89混合相组成的TiN0.3/TiO0.89纳米线阵列为主干，在其表面生长包覆锐钛矿相的TiO2纳米片分支，形成三维纳米阵列薄膜。其制备方法主要步骤如下：1)将清洗干净的钛片置于质量浓度为6-30％的过氧化氢水溶液中，同时添加质量分数为0.05-5％的硝酸、三聚氰胺，25-80℃反应6-72小时。反应后取出试样清洗、完全干燥，在400-550℃空气中热处理0.5-3小时，得到钛片衬底上生长TiO2纳米线阵列的一维纳米阵列薄膜；2)将钛片上负载有TiO2纳米线的一维纳米阵列薄膜在氨气气氛中于750-900℃热处理0.5-3小时，得到TiN0.3/TiO0.89一维纳米线阵列薄膜；3)洗净的瓷坩埚中加入去离子水、甘氨酸、质量分数为63％硝酸和硫酸氧钛，将坩埚转移至热处理炉中进行溶液燃烧反应，得到蓬松黑色粉末。在15℃的温度中，以质量比为1:100将黑色粉末和质量浓度为30％的过氧化氢溶液进行反应，保存24-72小时，得到橙红色的溶液燃烧前驱液；4)将TiN0.3/TiO0.89一维纳米线阵列薄膜置于溶液燃烧前驱液中于50-90℃反应10～60分钟，随后在400-550℃空气中热处理0.5-3小时，得到基于氮化钛和氧化钛的三维纳米阵列薄膜。上述技术方案中，所述的步骤1)中过氧化氢水溶液、硝酸及三聚氰胺的用量比为50mL:1mL:10-100mg。所述的步骤2)中氨气气氛的流量为100mL/min。所述的步骤3)中去离子水、甘氨酸、质量分数为63％硝酸和硫酸氧钛的质量比为100:1.75:0.3:1.25。所述的步骤3)中溶液燃烧反应的温度为400℃。本专利技术的有益效果是：不同于已有的TiN/TiO2粉末或TiN/TiO2叠层薄膜，本专利技术制备得到的是基于氮化钛和氧化钛的三维纳米阵列薄膜。准定向垂直于衬底排列的三维纳米阵列获得薄膜的纵深空间，提高催化剂暴露面积，增加催化剂的活性位点，确保光子和污染物分子都能够尽可能多地与催化剂活性点位接触；氮化钛和氧化钛的异质结产生内建电场并有利于缩小禁带宽度，叠加两者异质相界面引起的表面等离子激元效应，进一步提升光催化作用效果；同时，形成的三维阵列之间存在强烈的漫反射作用，有利于对光的充分吸收和利用，从而大大提高光催化作用。附图说明图1为实施例1制备的TiO2一维纳米线薄膜的场发射扫描电子显微镜照片；图2为实施例1制备的TiN0.3/TiO0.89一维纳米线薄膜的场发射扫描电子显微镜照片；图3为实施例1制备的TiN0.3/TiO0.89一维纳米线薄膜的X射线衍射图谱；图4为实施例1制备的氮化钛/氧化钛三维纳米阵列薄膜的场发射扫描电子显微镜照片；图5为实施例2制备的氮化钛/氧化钛三维纳米阵列薄膜的场发射扫描电子显微镜照片；图6为实施例3制备的氮化钛/氧化钛三维纳米阵列薄膜的场发射扫描电子显微镜照片；图7为实施例3制备的氮化钛/氧化钛三维纳米阵列薄膜的X射线衍射图谱；图8为实施例1～3制备的三维纳米阵列薄膜的光催化降解罗丹明B曲线；具体实施方式以下结合实施例进一步阐述本专利技术，但本专利技术不仅仅局限于下述实施例。实施例1步骤1、将面积为5×5cm2的清洗干净的钛片浸没于50mL质量浓度为6％的过氧化氢溶液中，同时添加1mL质量分数为0.05％的硝酸和10mg的三聚氰胺，80℃反应72小时，取出清洗后完全干燥，在400℃空气气氛中热处理3小时，得到钛片衬底上生长TiO2纳米线阵列的薄膜；步骤2、将钛片上负载有TiO2纳米线的样品在流量为100mL/min的氨气气氛中于750℃热处理3小时，得到TiN0.3/TiO0.89一维纳米线薄膜；步骤3、瓷坩埚中加入100mL去离子水、1.75g甘氨酸、0.6mL质量分数为63％硝酸和1.25g硫酸氧钛。将坩埚转移至400℃热处理炉中进行溶液燃烧反应，得到蓬松黑色粉末。将0.5g黑色粉末添加入50mL质量浓度为30％的过氧化氢溶液，15℃保存72小时，得到橙红色的溶液燃烧前驱液；步骤4、将面积为2.5×2.5cm2的TiN0.3/TiO0.89一维纳米线阵列薄膜置于15mL溶液燃烧前驱液中于50℃反应60分钟，最后在400℃空气气氛中热处理3小时，得到氮化钛/氧化钛三维纳米阵列薄膜。图1为步骤1得到TiO2纳米线阵列薄膜的场发射扫描电子显微镜照片，可以看出其具有一维纳米线阵列结构。图2为经步骤2得到的TiN0.3/TiO0.89一维纳米线薄膜的场发射扫描电子显微镜照片，可以看出纳米线阵列结构基本保持不变。图3为经步骤2得到的TiN0.3/TiO0.89一维纳米线薄膜的X射线衍射图谱，经与标准卡片对照可知，所得产物的物相为TiN0.3、TiO0.89以及来自基底的Ti。图4为经步骤4所获得的氮化钛/氧化钛三维纳米阵列薄膜的扫描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氮化钛和氧化钛的新型光催化薄膜，其特征是：以TiN

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化钛和氧化钛的新型光催化薄膜，其特征是：以TiN0.3和TiO0.89混合相组成的TiN0.3/TiO0.89纳米线阵列为主干，在其表面生长包覆锐钛矿相的TiO2纳米片分支，形成三维纳米阵列薄膜。


2.制备权利要求1所述的基于氮化钛和氧化钛的新型光催化薄膜的方法，其特征在于，步骤如下：
1)将清洗干净的钛片置于质量浓度为6-30％的过氧化氢水溶液中，同时添加质量分数为0.05-5％的硝酸、三聚氰胺，于25-80℃反应6-72小时；反应后取出试样清洗、完全干燥，在400-550℃空气中热处理0.5-3小时，得到钛片衬底上生长TiO2纳米线阵列的一维纳米阵列薄膜；
2)将钛片上负载有TiO2纳米线的一维纳米阵列薄膜在氨气气氛中于750-900℃热处理0.5-3小时，得到TiN0.3/TiO0.89一维纳米线阵列薄膜；
3)洗净的瓷坩埚中加入去离子水、甘氨酸、质量分数为63％硝酸和硫酸氧钛，将坩埚转移热处理炉中进行溶液燃烧反应，得到蓬松黑色粉末，在15℃的温度中，以质量比为1:100将黑色粉末和质量浓度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾伊杰，吴进明，高文炜，孟琥，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33