專利名稱：具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二氧化鈦光催化化工技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是涉及一種通過電 泳沉積技術(shù)制備具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的方法。
背景技術(shù)：
從1972年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二氧化鈦電極在紫外光照射下將水分解成氫和氧 氣以來(lái)，二氧化鈦在材料領(lǐng)域受到了非常廣泛的重視。Ti02可用于光催化降 解有機(jī)物、殺菌消毒、污水處理、空氣凈化、光分解水制氫等多個(gè)方面，由 于Ti02的禁帶寬度較大(3.2eV銳鈦礦型，3.0eV金紅石型)，對(duì)可見光的吸 收差，極大的限制了其應(yīng)用范圍。目前，可見光活性的納米Ti02的制備方法 研究已成為光催化新材料開發(fā)的一個(gè)十分活躍的課題。通常采用摻雜金屬或 非金屬的方式增加其可見光活性，目前報(bào)道的有非金屬如C， N， S等元素的 摻雜以及Fe, Cr, Sb和稀土元素多種金屬元素的摻雜等。其中，碳被認(rèn)為是 改善其可見光活性的摻雜元素之一。
已經(jīng)報(bào)道的碳摻雜納米Ti02薄膜的制備方法有多種，Khan等通過煤氣 火焰加熱Ti金屬的方法制備了具有可見光響應(yīng)的含碳的Ti02薄膜，提高了 可見光的吸收性能，出現(xiàn)了更寬的可見光波段吸收平臺(tái)，存在的問題是Khan 的方法難以控制；也有報(bào)道利用C02作為反應(yīng)氣體通過濺射金屬Ti靶的方法 制備含碳的Ti02薄膜，我們也曾報(bào)道濺射Ti/C混合靶的方法制備含碳的 Ti02薄膜，以及陽(yáng)極氧化濺射的TiC薄膜然后得到TiO^CV薄膜等方法。但 這些方法存在一些缺點(diǎn)，如濺射鍍膜能耗高，設(shè)備昂貴等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種設(shè)備簡(jiǎn)單、反應(yīng)液可重復(fù)使用、節(jié)能減排的制備 具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供了上述具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化
3為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了 一種具有可見光活性的碳摻雜納米二氧 化鈦薄膜的制備方法，以碳化鈦納米粉為原料，先通過直流穩(wěn)壓電源或恒電 位儀作為輸入設(shè)備，利用納米碳化鈦的懸濁液作為電泳沉積液，并在通電過 程中進(jìn)行電磁攪拌，碳化鈦納米顆粒沉積到基板表面形成彩色的TiC薄膜；
對(duì)形成的TiC薄膜用馬福爐進(jìn)行熱處理，當(dāng)TiC薄膜的顏色發(fā)生變化，即形 成具有可見光活性的含碳的Ti02薄膜；調(diào)節(jié)電泳時(shí)輸入電壓為10 30V，控 制電泳時(shí)間為0.5 10小時(shí)；電泳沉積液采用含有10 40g/L的納米碳化鈦的 懸濁液；采用馬福爐對(duì)碳化鈦薄膜進(jìn)行熱處理，控制熱處理溫度為350 450 °C，氧化時(shí)間為0.5~6小時(shí)，致使TiC薄膜的顏色發(fā)生變化，形成具有可見 光活性的含碳的Ti02薄膜。
優(yōu)選地，本發(fā)明中控制電泳時(shí)間為0.5 2小時(shí)；
優(yōu)選地，本發(fā)明中控制電泳電壓為10 13.5V;
優(yōu)選地，本發(fā)明中控制熱處理溫度350 40(TC;
優(yōu)選地，本發(fā)明中控制熱處理時(shí)間1.5~3.0小時(shí)。
本發(fā)明所制備的含碳的Ti02薄膜具有較高的可見光活性，可用于可見光 光催化領(lǐng)域。
本發(fā)明所制備的含碳的Ti02薄膜具有較高的可見光活性，可用于可見光 光分解水制氫領(lǐng)域。
本發(fā)明所制備的含碳的Ti02薄膜具有較高的可見光活性，可用于太陽(yáng)能 電池領(lǐng)域。
本發(fā)明所提供的具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的制備方 法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明方法采用電泳沉積設(shè)備簡(jiǎn)單， 電泳沉積的溶液可以反復(fù)使用，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的節(jié)能減排。


圖1為本發(fā)明制備方法過程示意圖。
圖2為不同電泳輸入電壓下TiC薄膜電泳沉積過程的電流-時(shí)間曲線。其
中
a.電泳輸入電壓為10.0V;
4b.電泳輸入電壓為13.5V。
圖3為實(shí)施例1中制得的含碳的Ti02薄膜電極可見光下短路光電流隨照 射/擋光的電流變化曲線。
圖4為TiC粉末、TiC薄膜以及TiC粉末經(jīng)熱處理后得到的含碳的Ti02 的XRD譜。其中
a. TiC粉末；
b. 電泳沉積8小時(shí)的TiC薄膜；
c. TiC粉末經(jīng)350。C熱處理2小時(shí)得到的含碳的Ti02;
d. TiC粉末經(jīng)450。C熱處理2小時(shí)得到的含碳的Ti02。
圖5為實(shí)施例3中制得的含碳的Ti02薄膜電極可見光下短路光電流隨照 射/擋光的電流變化曲線。
圖6為含碳的Ti02薄膜電極在不同狀態(tài)的光照射下的電流-電位曲線。 其中
a. 擋光狀態(tài)下；
b. 可見光狀態(tài)下；
c. 白光狀態(tài)下，光電流數(shù)值縮減了10倍。
具體實(shí)施例方式
以下通過實(shí)施例更進(jìn)一步地描述本發(fā)明，但不限于此。
室溫下通過電泳沉積方法在Ti片表面制備TiC薄膜，將清洗后Ti片固定在 電解池中，調(diào)節(jié)恒電位儀的電位為10.0V，電泳沉積液采用含10g/L的碳化鈦 懸濁液，電泳沉積2小時(shí)，電泳沉積過程的電流時(shí)間變化曲線如圖2中a曲線所 示。將得到的TiC薄膜在空氣氣氛中在35(TC下進(jìn)行熱處理2小時(shí)，這時(shí)TiC薄 膜轉(zhuǎn)變?yōu)楹嫉腡i02薄膜。圖3示出由本實(shí)施例中電泳沉積TiC薄膜在熱處理 后得到的含碳的TiCV薄膜的光電流，可以看到在可見光下的穩(wěn)定短路光電流 為0.23jiA/cm2。
實(shí)施例2
室溫下通過電泳沉積方法在Ti表面制備TiC薄膜，將清洗后Ti片固定在電
5解池中，對(duì)電極采用金屬Pt片，調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源電壓為30V，電極之間的 距離為lcm，電泳沉積液采用含40g/L的碳化鈦懸濁液，電泳沉積8小時(shí)，得 到TiC薄膜，將得到的TiC薄膜在空氣氣氛中在45(TC下進(jìn)行熱處理2小時(shí)，這 時(shí)TiC薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)楹嫉腡i02薄膜。得到的TiC薄膜的XRD圖如圖4中b曲線所 示。從圖中可以清楚地看到碳化鈦的衍射峰，說(shuō)明碳化鈦己經(jīng)成功的沉積到 基片表面；同時(shí)圖4中c曲線所示為經(jīng)350。C熱處理后的碳化鈦粉體的XRD譜， 可以看到銳鈦礦和金紅石晶型Ti02的生成以及部分沒有轉(zhuǎn)化的碳化鈦；圖4 中d曲線所示為經(jīng)45(TC熱處理后的碳化鈦粉體的XRD譜，可以看到碳化鈦完 全轉(zhuǎn)化為銳鈦礦和金紅石晶型Ti02。
實(shí)施例3
室溫下通過電泳沉積方法在Ti片表面制備TiC薄膜，將清洗后Ti片固定在 電解池中，調(diào)節(jié)電壓為13.5V，電泳沉積液采用含10g/L的碳化鈦懸濁液，電 泳沉積2小時(shí)，電泳沉積過程的電流時(shí)間變化曲線如圖2中b曲線所示。將得到 的TiC薄膜在空氣氣氛中在35(TC下進(jìn)行熱處理2小時(shí)，這時(shí)TiC轉(zhuǎn)變?yōu)楹嫉?Ti02薄膜。圖5示出由本實(shí)施例中電泳沉積TiC薄膜在熱處理后得到的含碳的 Ti02薄膜的光電流，可以看到在可見光下的光電流為0.68 p A/cm2。圖6所示 為本實(shí)施例中所制得的含碳的Ti02薄膜不同狀態(tài)下的光電流-電位曲線，可以 看出本實(shí)施例中所制得的含碳的Ti02薄膜具有明顯的可見光響應(yīng)。
權(quán)利要求
1、一種具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于以碳化鈦納米粉為原料，先通過直流穩(wěn)壓電源或恒電位儀作為輸入設(shè)備，利用納米碳化鈦的懸濁液作為電泳沉積液，并在通電過程中進(jìn)行電磁攪拌，碳化鈦納米顆粒沉積到基板表面形成彩色的TiC薄膜；對(duì)形成的TiC薄膜用馬福爐進(jìn)行熱處理，當(dāng)TiC薄膜的顏色發(fā)生變化，即形成具有可見光活性的含碳的TiO2薄膜；調(diào)節(jié)電泳沉積時(shí)輸入電壓為10～30V，控制電泳時(shí)間為0.5～10小時(shí)；電泳沉積液采用含有10～40g/L的納米碳化鈦的懸濁液；采用馬福爐對(duì)TiC薄膜進(jìn)行熱處理，控制熱處理溫度為350～450℃，氧化時(shí)間為0.5～6小時(shí)，TiC薄膜的顏色發(fā)生變化，形成具有可見光活性的含碳的TiO2薄膜。
2、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是控制電泳時(shí)間為0.5~2小時(shí)。
3、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是控制電泳電壓為10 13.5V。
4、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是控制熱處理溫度350 400°C。
5、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是控制熱處理時(shí)間1.5 3.0小時(shí)。
6、 如權(quán)利要求1所述方法獲得的薄膜材料在可見光光催化、光分解水制 氫或太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有可見光活性的碳摻雜納米二氧化鈦薄膜的制備方法及其應(yīng)用，該制備方法為以碳化鈦納米粉為原料，先通過直流穩(wěn)壓電源或恒電位儀作為輸入設(shè)備，納米碳化鈦的懸濁液為電泳沉積液，并在通電過程中進(jìn)行電磁攪拌，碳化鈦納米顆粒沉積到基板表面形成TiC薄膜；對(duì)形成的TiC薄膜用馬福爐進(jìn)行熱處理，當(dāng)TiC薄膜的顏色發(fā)生變化，即形成具有可見光活性的含碳的TiO₂薄膜；電泳沉積時(shí)輸入電壓為10～30V，電泳時(shí)間為0.5～10小時(shí)；電泳沉積液采用含有10～40g/L的納米碳化鈦的懸濁液；熱處理溫度為350～450℃，氧化時(shí)間為0.5～6小時(shí)。本發(fā)明方法采用電泳沉積設(shè)備簡(jiǎn)單，電泳沉積的溶液可以反復(fù)使用，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的節(jié)能減排。
文檔編號(hào)B01J21/06GK101491755SQ200910046919
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者崔曉莉, 張曉艷, 蕾 朱, 顧君嗣 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)