一种高性能光阳极BiVO4薄膜催化剂的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高性能光阳极BiVO4薄膜催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1.清洗基底后干燥；S2.将基底置于沉积室，然后在基底表面采用直流磁控溅射法沉积钒酸铋薄膜，其中靶材为钒酸铋陶瓷靶，溅射时所述靶材与基底的夹角为60

【技术实现步骤摘要】
一种高性能光阳极BiVO4薄膜催化剂的制备方法


[0001]本专利技术涉及功能材料
，特别涉及一种高性能光阳极BiVO4薄膜催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]太阳能作为一种新兴的可再生的清洁能源，已经成为人们目前解决能源短缺和环境污染等问题的首选替代能源之一，但是如何高效地利用太阳能，成为了目前研究的重点和难点。
[0003]早在1972年，Fjulshima和Honda首次报道了二氧化钛薄膜在光照条件下可以将水分解成氢气和氧气，进而实现太阳能向化学能的转化，从此，光催化技术进入人们的视野，并引起广泛关注，成为目前研究热点之一。光催化氧化技术能够有效地利用清洁、可再生的太阳能，分解水产氢制氧以及降解水和大气中的有机污染物，可以有效地降低能耗，并降低副产物和二次污染的可能。它不仅能缓解能源短缺问题，还可以有效的处理环境污染，是一种很有发展前景的高效氧化技术。
[0004]BiVO4是一种环境友好、色泽明亮的淡黄色颜料，近年来，由于其组成元素来源广泛、化学和热稳定性好等特点，特别是其具有窄的禁带宽度和合适的价带位置，而表现出优异的光催化讲解有机污染物和光解水活性，从而引起人们的广泛关注。BiVO4主要存在三种晶相结构，分别是单斜白钨矿型、四方白钨矿型和四方锆石型，三种晶相之间在一定温度条件下可以相互转化。其中，单斜白钨矿型BiVO4结构是热力学上最稳定的晶相结构，在可见光降解有机污染物和光解水产氢制氧等方面表现出最好的光催化活性，从而获得广泛研究。
[0005]单斜白钨矿型BiVO4的禁带宽度Eg等于2.4eV，价带位置充分满足氧化水的要求，导带位置几乎与氢气还原电位一致，这意味着在完整的光电化学（PEC）水分解过程中，BiVO4的产氢能耗小于其他可见光半导体，同时，理论计算表明BiVO4体内的光生电子和空穴有效质量小于其他传统氧化物半导体，如TiO2和In2O3，更有利于光生载流子的分离和传输。
[0006]然而，BiVO4光催化材料由于自身存在的一些问题，导致其实际的光电转换效率仍远远低于其理论值，从而限制了其实际应用，存在以下几个问题：（1）BiVO4材料中的电荷迁移，特别是电子迁移速率很慢，导致产生的电荷载流子在到达材料表面之间，已经有大约60%
‑
80%发生复合；（2）相比于亚硫酸盐的氧化反应，该反应的释放氧动力学速率非常缓慢。因此，如何进一步优化钒酸铋薄膜制备方法显得很有必要。同时现有技术通常情况下采用磁控溅射都是为了获得致密的薄膜，现在磁控溅射设备中靶材与基底之间的角度固定为37
°
，这个角度可以平衡沉积效率和薄膜致密度，角度越小，则薄膜运动距离越短，轰击能量越高，薄膜相应越致密，但是角度越小，不同靶头之间会相互影响，同时反映溅射的过程不够充分，使得薄膜组成容易不均匀。为此，我们提出了一种高性能光阳极BiVO4薄膜催化剂制备方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的在于提供一种高性能光阳极BiVO4薄膜催化剂的制备方法，基于本专利技术制备的钒酸铋薄膜，具有良好的光生载流子分离和运输能力，与液相的有效接触面积范围大，在光催化、电催化和光电催化等领域有广泛应用。相比于广泛使用的溶液法，本方法效率高，制备工艺简单，不仅可以室温制备，所得薄膜具有疏松多孔结构，有效降低薄膜的界面电阻，可以有效解决
技术介绍
中的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种高性能光阳极BiVO4薄膜催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1. 清洗基底后干燥；S2. 将基底置于沉积室，然后在基底表面采用直流磁控溅射法沉积钒酸铋薄膜，其中靶材为钒酸铋陶瓷靶，溅射时所述靶材与基底的夹角为60
°‑
90
°
，溅射气体为为氩气和氧气，总压强为0.5～2.5 Pa，氧分压为5
‑
20 %，靶材与基底的距离为7～20 cm，初始基底温度为室温，溅射过程中对基底进行加热，加热温度范围是350～500℃，施加于所述靶材上的直流电源的功率为 50～500 W 或者功率密度为0.6～6.4 W/cm2，其中沉积时间为5～60min；S3. 在S2结束等温度降至室温，取出样品后将其送入马弗炉进行热处理，退火完成之后，等样品温度降回室温，制得BiVO4薄膜。
[0009]进一步地，所述S2中沉积室初始的本底真空度低于10
‑
4 Pa。
[0010]优选地，所述S1中基底为透明导电电极FTO、ITO、AZO、ATO或多孔电极泡沫镍或金属纳米线电极Cu、Au、Ag和Al。
[0011]优选地，所述S1中清洗基底的方法是依次用丙酮和无水乙醇各超声清洗30min；所述干燥方法为压缩空气吹干。
[0012]进一步地，所述S4中热处理温度500 ℃，升温速度1~10 ℃/min，保温时间60~480 min。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：一、磁控溅射工艺条件温和，工艺简单，周期短，能够连续制备，且不受制于衬底尺寸、质地和形貌；二、通过控制靶材与基底之间的夹角，可以制备出特殊疏松结构的钒酸铋薄膜，有利于提高与液相的接触面积，降低界面电阻，促进光生载流子分离；本专利技术基于磁控溅射钒酸铋的过程靶材与基底之间的角度可调，优化制备工艺，在特殊角度可以制备出疏松结构的钒酸铋薄膜，能够增大与液相的有效接触面积，促进光生电子
‑
空穴对分离，提高其光电催化性能。
附图说明
[0014]图1 为磁控溅射技术示意图；图2为 靶材与基底夹角为90
°
时，磁控溅射沉积得到的钒酸铋薄膜扫描电子照片；图3 为不同靶材与基底夹角角度制备的钒酸铋薄膜于中性电解液中的光电流曲线。
具体实施方式
[0015]为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合
具体实施方式，进一步阐述本专利技术。
[0016]以下实施例所用的设备为北京创世威纳科技有限公司组装的型号为MSP
‑
3200三靶共溅射镀膜机，包括沉积腔室、进样室、若干靶头、一个托盘、一个直流电源以及一系列的真空泵，且设备置于22℃恒温房间内，所以以下实施例涉及到的初始基底温度均为22℃，不做重复限定；以下涉及的高纯氩气和高纯氧气纯度为99.99%。
[0017]实施例1将基底(FTO玻璃)超声清洗，分别用丙酮和无水乙醇超声清洗基底各30分钟后，有序地固定在衬底板上，放入进样室中，然后打开闸门装载到真空度（本底真空度）已达到10
－4 Pa以下的沉积腔室中。通过改造溅射靶头位置，使得钒酸铋靶材法线与基底法线之间夹角为90
°
(如图1所示)，通入高纯氩气和氧气，流量为60 sccm和3.5sccm,压强0.6 Pa，靶材与基片的距离为8cm，初始的腔室温度加热至500℃开启直流电源(电功率为200W)，溅射纯钒酸铋靶材，沉积时间为10 min。沉积结束后，等衬底温度由于离子轰击升高的温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能光阳极BiVO4薄膜催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1. 清洗基底后干燥；S2.将基底置于沉积室，然后在基底表面采用直流磁控溅射法沉积钒酸铋薄膜，其中靶材为钒酸铋陶瓷靶，溅射时所述靶材与基底的夹角为60
°‑
90
°
，溅射气体为为氩气和氧气，总压强为0.5～2.5 Pa，氧分压为5
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20 %，靶材与基底的距离为7～20 cm，初始基底温度为室温，溅射过程中对基底进行加热，加热温度范围是350～500℃，施加于所述靶材上的直流电源的功率为 50～500 W 或者功率密度为0.6～6.4 W/cm2，其中沉积时间为5～60min；S3. 在S2结束等温度降至室温，取出样品后将其送入马弗炉进行热处理，退火完成之后，等样品温度降回室温...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦兴，云山，郭探，高晓燕，徐海青，洪坤，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：