一种基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法及其产品和应用技术

本发明专利技术涉及光催化薄膜材料技术领域，具体涉及一种基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法及其产品和应用；具体的以氩气作为溅射气体，氮气作为反应气体，采用双靶共溅射的方法在衬底表面制备基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜，所述双靶分别为钽靶和钼靶；本发明专利技术提供一种基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法。首次将TaN薄膜应用于光催化领域，通过磁控溅射真空镀膜技术，选择Mo作为掺杂剂来改善TaN薄膜光催化性能从而改善薄膜的光吸收性能和薄膜内载流子迁移特性，提高光催化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法及其产品和应用
本专利技术涉及光催化薄膜材料
，具体涉及一种基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法及其产品和应用。
技术介绍
21世纪，生态环境治理问题已经成为世界关注的焦点，其中水体污染等环境问题每况愈下，因此研发有效的污水处理技术显得尤为重要。光催化技术可以利用光催化材料吸收太阳光能来降解水中有机污染物，因此寻找高效、稳定、可循环使用、无污染、制作简单且低成本的光催化材料一直是太阳能利用中最具挑战性的课题之一。在以往的研究中，为了增加催化剂与水体的接触面积，大部分光催化剂被设计为粉体材料，虽然提高了光催化效率，但其受工艺因素影响大，形貌不易控制，容易发生团聚，稳定性差，不易回收再利用，易造成二次污染等问题。与粉末材料相比，薄膜材料稳定好，分散均匀，可回收再利用，污染较小。因此，制备新型高效的薄膜光催化材料具有重要的意义。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法及其产品和应用。首次将TaN薄膜应用于光催化领域，通过磁控溅射真空镀膜技术，选择Mo作为掺杂剂来改善TaN薄膜光催化性能从而改善薄膜的光吸收性能和薄膜内载流子迁移特性，提高光催化性能。本专利技术公开一种基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法，以氩气作为溅射气体，氮气作为反应气体，采用双靶共溅射的方法在衬底表面制备基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜，所述双靶分别为钽靶和钼靶。进一步地，在溅射过程中，环境真空度≥7.0×10-4Pa，衬底温度为300-400℃，溅射压强为0.8-1.0Pa，溅射时间为10min，氮气分压占比15％。进一步地，所述氩气和氮气的纯度为99.999％，氩气流量为45sccm，氮气流量为8sccm。衬底温度影响薄膜结晶度，温度越高，薄膜结晶度越好；将溅射压强控制在0.8-1.0Pa，氮气限定8sccm，氩气限定45sccm，氮气分压占比15％的条件下，有利于TaN相的生成；溅射时间影响薄膜厚度，溅射时间控制在10min，薄膜厚度约为200nm。进一步地，钽靶溅射功率为130W，采用直流溅射源；钼靶溅射功率为0-40W，采用射频溅射源，其中钼靶溅射功率不为0。通过溅射过程中，保持恒定的氮气分压和Ta靶溅射功率，调控钼靶溅射功率，来改变Mo掺杂量，以此来调节TaN薄膜晶面择优取向，提高薄膜吸光度和光催化活性。进一步地，溅射靶材与衬底的距离为80mm。进一步地，所述Mo掺杂TaN的光催化薄膜在衬底上的厚底为100-300nm。进一步地，所述衬底为FTO导电薄膜，在进行双靶共溅射前进行清洗并烘干预热。FTO导电薄膜本身具有很好的结晶性，以其作为衬底可以有效保证Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备。本专利技术还提供上述基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法所制备的基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜。本专利技术还提供上述基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜作为光催化材料的应用。进一步地，基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜在降解水中有机污染物中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)过渡金属氮化物是氮元素进入金属晶格内部形成的一种金属间隙化合物，由于氮元素进入到金属的晶格内部，对金属的调变作用使氮化物同时表现出共价化合物、离子晶体和过渡金属的性质，尤其在催化作用方面表现出与Pt等贵金属相似的性能。本专利技术首次将TaN薄膜应用于光催化领域。通过磁控溅射技术，采用双靶共溅射制备Mo掺杂TaN的光催化薄膜，薄膜均匀、重复性和可控性好，成膜质量好，制备工艺简单经济，可大规模生产。同时因为Mo原子半径与Ta原子半径很接近，适宜的Mo掺杂能导致薄膜晶格畸变，调节TaN薄膜晶面择优生长，从而改善薄膜的光吸收性能和薄膜内载流子迁移特性，提高光催化性能。(2)本专利技术通过磁控溅射技术，调控Mo靶溅射功率来改变Mo的掺杂量，TaN薄膜表现出不同的微观结构，Mo的掺杂使得TaN薄膜具有以(200)晶面为择优取向的面心立方晶体结构，具有相对较高的催化活性。(3)本专利技术通过金属掺杂的方法调控Mo的掺杂使得TaN薄膜致密度和晶粒尺寸不断增大，薄膜具有优异的结晶性、吸光性，薄膜表面状态稳定且活性位点增多，金属Mo的掺杂显著提高TaN光催化活性。(4)本专利技术所制备的基于Mo掺杂TaN光催化薄膜具有以(200)晶面为择优取向的面心立方晶体结构，薄膜致密度和晶粒尺寸增大，可见光吸收增强，TaN薄膜的光催化活性显著提高，并且薄膜表面状态稳定且活性位点较多，可回收再利用，对环境污染小。预测本专利技术将指导TaN在光催化领域中的应用和更广阔的光学应用领域。附图说明图1是本专利技术效果验证1中不同Mo靶溅射功率掺杂TaN光催化薄膜的XRD图谱，参考为FTO透明导电薄膜的XRD图谱。图2是本专利技术效果验证1中不同Mo靶溅射功率掺杂TaN光催化薄膜的紫外可见吸收谱图。图3是本专利技术效果验证1中不同Mo靶溅射功率掺杂TaN光催化薄膜的SEM图，a、b、c、d分别对应Mo靶溅射功率为0W、10W、20W、40W。图4是本专利技术效果验证1中不同Mo靶溅射功率掺杂TaN光催化薄膜的样品图，自下而上包括白玻璃，FTO透明导电薄膜和Mo掺杂TaN光催化薄膜层。图5是本专利技术效果验证2中不同Mo靶溅射功率掺杂TaN光催化薄膜在可见光下催化降解甲基橙溶液的光催化效果图。具体实施方式现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本专利技术所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本专利技术仅描述了优选的方法和材料，但是在本专利技术的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。在不背离本专利技术的范围或精神的情况下，可对本专利技术说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本专利技术的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。实施例1基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜，其具体过程为：a.FTO透明导电薄膜衬底依次分别用丙酮、乙醇和去离子水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法，其特征在于，以氩气作为溅射气体，氮气作为反应气体，采用双靶共溅射的方法在衬底表面制备基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜，所述双靶分别为钽靶和钼靶。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法，其特征在于，以氩气作为溅射气体，氮气作为反应气体，采用双靶共溅射的方法在衬底表面制备基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜，所述双靶分别为钽靶和钼靶。


2.根据权利要求1所述的基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法，其特征在于，在溅射过程中，环境真空度≥7.0×10-4Pa，衬底温度为300-400℃，溅射压强为0.8-1.0Pa，溅射时间为10min，氮气分压占比15％。


3.根据权利要求1所述的基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法，其特征在于，所述氩气和氮气的纯度为99.999％，氩气流量为45sccm，氮气流量为8sccm。


4.根据权利要求1所述的基于Mo掺杂TaN的光催化薄膜的制备方法，其特征在于，钽靶溅射功率为130W，采用直流溅射源；钼靶溅射功率为0-40W，采用射频溅射源，其中钼靶溅射功率不为0。


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【专利技术属性】
技术研发人员：顾明道，李兴鳌，杜明，张健，
申请(专利权)人：江苏镕耀新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32