CN102350364B - 一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法 - Google Patents

一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法，使用真空电弧离子镀工艺，制备的光催化剂的掺氮二氧化钛膜可均匀分布于多孔金属的表面，增加光催化剂催化反应接触面积，可使光催化剂具有较高的光催化活性。

Description

一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法，特别涉及一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法。 
背景技术
二氧化钛以其优异的光催化性能得到越来越多的科学家的重视，但由于其自身的缺陷，它在现实生活中的应用仍然受到很大的限制。
首先： 由于二氧化钛是宽禁带半导体(Eg＝3.2eV)，根据公式λg＝1240/Eg(nm)只能响应短波长的紫外线部分(入<387nm，约占太阳能的5%)，而太阳光谱中绝大数的可见光部分(能量约占45%)，则未能有效利用，不能有效地利用太阳光。
其次：虽然二氧化钛光催化剂有着较好的光催化活性，但是二氧化钛在实际使用时，目前所制备的氮掺杂TiO2 光催化剂主要有粉末和薄膜两种。粉末二氧化钛对固液过程存在易团聚和反应后难回收的问题；对气固过程则存在易堵塞，传质阻力高的弊端，薄膜二氧化钛寻找合适的催化剂载体对TiO2 进行负载是影响二氧化钛光催化技术能否实际应用的关键问题。
为提高二氧化钛:光催化响应范围，高效利用自然能源，目前人们正通过各种方法以使二氧化钛响应长波长的可见光部分。
自发现掺氮TiO2在可见光区域具有优良光催化性能以来，人们利用多种方法制备掺氮TiO2，目前制备掺氮TiO2的主要方法有：
机械力化学法，该在研磨过程中对产物微结构的调控以及产杂量的控制较为困难；
氨气、氮气气氛下的煅烧法，该方法直接在含氮的气氛中加热，一方面会导致二氧化钛晶粒尺寸的增大，另一方面氮元素很难掺入二氧化钛；
水热合成法，很难精确控制反应物的组成、反应温度、反应时间等对二氧化钛的微观形貌、掺杂量以及掺杂效果有重要影响的参数；
溶胶一凝胶法，溶胶一凝胶法氮掺杂的效果受原材料配比、反应条件、干燥条件等多种因素的影响，工艺不稳定，难易精确控制。
发明人采用多弧离子镀方法在玻璃基片载体上镀制了掺氮TiO2薄膜，克服了上述工艺方法中的缺点，然而受玻璃基片载体所限，催化反应接触面积小，光催化活性有待提高。发明人经过研究发现多孔金属如泡沫镍，是将金属镍制成泡沫海绵状，具有三维全贯通网孔结构。镍骨架中空并以冶金状态彼此交连，泡沫镍表面2.54cm的长度内孔的数目（PPI）为60-140，其厚度小于2.5mm，孔隙率大于95%，体密度仅为镍的五十分之一，比表面积极大，有较强的耐腐蚀性，仍保持金属镍的良好理化性质。掺氮二氧化钛以薄膜形式负载于泡沫镍表面，薄膜附着力强，表面接触面积大，在紫外光源照射下，具有良好的光催化活性。可广泛应用于分解空气中的污染物，改善生活环境，提高空气质量，也可用于降解废水中的有机污染物。
发明内容
本发明的目的是提供一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法，使用真空电弧离子镀工艺，制得的光催化剂能够增加光催化反应接触面积，使光催化剂具有较高的光催化活性。 
本发明提供了一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法，采用泡沫金属作为载体，掺氮二氧化钛作为活性组分，使用真空电弧离子镀工艺，包括如下步骤：
（1）泡沫金属载体入炉前，进行清洁处理， 在丙酮溶液中超声波清洗两次，使用无水乙醇脱水，脱水后烘干装入真空室；
（2）真空室抽本底真空至4～6×10－3Pa，充氩气至5～10Pa.在泡沫金属载体上加负偏压500～800V，使氩气形成等离子体辉光放电，在负偏压电场作用下，使用具有高能量的氩离子对泡沫金属载体进行轰击，进行辉光放电离子轰击清洗，使泡沫金属载体温度上升；
（3）辉光放电离子轰击清洗结束后，将氩气压强设定在2Pa，开启弧电源，在泡沫金属载体上加400～500V负偏压，引燃Ti靶，用高能量Ti离子对泡沫金属载体进行轰击，进行弧光放电清洗；
（4）弧光放电清洗关掉弧电源，再次将真空室抽至4～6×10-3Pa；
（5）向真空室通入工作气体N2气和O2气，工作压强由自动压强控制仪控制，N2气流量由质量流量计控制，按预设的流量通入N2，待真空度稳定后，再通入 O2达到工作压强，待真空室气体压强达到工作压强后，对泡沫金属载体加负偏压，开启弧电源，引燃电弧开始镀膜，其中：工作压强1～6Pa、N2气体流量控制在3～6 sccm（1sccm＝1.67×10－2 atm﹒cm3/s）、偏压100～200 V、泡沫金属载体距靶面距离为150～200mm、工作电流30～50A，镀膜时间为15～20分钟，镀膜结束后得到泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂。
所述泡沫金属载体为泡沫镍、泡沫铜或泡沫铝。
所述泡沫金属载体的面密度为300～600g/m2，2.54cm的长度内孔的数目（PPI）为60-140，载体厚度小于2.5mm，孔隙率大于95%。
所述泡沫金属载体上负载的掺氮二氧化钛组分中，二氧化钛含量为99.1wt%-99.4wt%，氮含量为0.6wt％～0.9wt％。
本发明还提供了一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂，采用泡沫金属作为载体，掺氮二氧化钛作为活性组分，按上述制备方法制得。
使用真空电弧离子镀工艺制备泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂具有以下优点：一是它物理气象沉淀（PVD）技术（如磁控溅射、电子束蒸发）相比，真空电弧离子镀具有高沉积速度（约40nm/min），低镀膜温度，高电离度（约80%）的特点，可以在多孔金属基体上，实现工业化大批量生产掺氮TiO2薄膜。二是蒸发源与基底之间会产生弧光放电，金属原子、气体原子在和电子碰撞过程中，会形成气体离子和金属离子，这些离子在电场中被加速飞向基底，通过靶材离子与反应气体离子在真空室内的化合作用，在基片表面沉积掺氮二氧化钛薄膜，，因而可实现离子水平的氮的掺杂，有利于提高二氧化钛的光催化活性和可见光响应。三是真空电弧离子镀工艺稳定，通过控制N2、O2、Ar气的流量和分压等工艺参数，可精确控制N的掺杂量、薄膜表面状况以及薄膜厚度。四是薄膜附着力强，绕镀性好，适于复杂形状载体上的负载。所得掺氮二氧化钛膜可均匀分布于多孔金属（如泡沫镍）的表面，增加光催化剂催化反应接触面积，可使光催化剂具有较高的光催化活性。 
附图说明
图1：本发明所述实施例1的泡沫镍负载掺氮二氧化钛光催化剂的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
（1）泡沫镍载体入炉前，进行清洁处理， 在丙酮溶液中超声波清洗两次，使用无水乙醇脱水，脱水后烘干装入真空室；该步骤去除泡沫金属载体表面粘附的各种粉尘、油脂、汗渍、在潮湿空气中吸附的气体等，以保证涂层的结合强度和纯度；所述泡沫镍载体的面密度为400g/m2，2.54cm的长度内孔的数目为100，载体厚度2mm，孔隙率97%；
 （2）真空室抽本底真空至4～6×10－3Pa，充氩气至5～10Pa.在泡沫镍载体上加负偏压500～800V，使氩气形成等离子体辉光放电，在负偏压电场作用下，使用具有高能量的氩离子对泡沫镍载体进行轰击，进行辉光放电离子轰击清洗，使泡沫镍载体温度上升；起到清除泡沫镍载体表面污垢和轰击加热的作用；
（3）辉光放电离子轰击清洗结束后，将氩气压强设定在2Pa，开启弧电源，在泡沫镍载体上加400～500V负偏压，引燃Ti靶，用高能量Ti离子对泡沫镍载体进行轰击，进行弧光放电清洗；进一步清洗活化泡沫镍载体表面，增加泡沫镍载体表面原子级缺陷，提高膜层与泡沫镍载体间的结合力，使泡沫镍载体温度进一步升高；
（4）弧光放电清洗关掉弧电源，再次将真空室抽至4～6×10-3Pa；
（5）向真空室通入工作气体N2气和O2气，工作压强由自动压强控制仪控制，N2气流量由质量流量计控制，按预设的流量通入N2，待真空度稳定后，再通入 O2达到工作压强，待真空室气体压强达到工作压强后，对泡沫镍载体加负偏压，开启弧电源，引燃电弧开始镀膜，工艺参数见表1，制得泡沫镍负载掺氮二氧化钛光催化剂见图1。
Figure 54485DEST_PATH_IMAGE001
实施例1-3制得泡沫镍负载掺氮二氧化钛光催化剂中，实施例1中泡沫镍载体上负载的掺氮二氧化钛组分中，二氧化钛含量为99.4wt%，氮含量为0.6wt％；实施例2中泡沫镍载体上负载的掺氮二氧化钛组分中，二氧化钛含量为99.2wt%，氮含量为0.8wt％；实施例3中泡沫镍载体上负载的掺氮二氧化钛组分中，二氧化钛含量为99.1wt%，氮含量为0.9wt％。

Claims (5)

1.一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法，采用泡沫金属作为载体，掺氮二氧化钛作为活性组分，特征在于使用真空电弧离子镀工艺，包括如下步骤：
（1）泡沫金属载体入炉前，进行清洁处理，在丙酮溶液中超声波清洗两次，使用无水乙醇脱水，脱水后烘干装入真空室；
（2）真空室抽本底真空至4～6×10－3Pa，充氩气至5～10Pa，在泡沫金属载体上加负偏压500～800V，使氩气形成等离子体辉光放电，在负偏压电场作用下，使用具有高能量的氩离子对泡沫金属载体进行轰击，进行辉光放电离子轰击清洗，使泡沫金属载体温度上升；
（3）辉光放电离子轰击清洗结束后，将氩气压强设定在2Pa，开启弧电源，在泡沫金属载体上加400～500V负偏压，引燃Ti靶，用高能量Ti离子对泡沫金属载体进行轰击，进行弧光放电清洗；
（4）弧光放电清洗关掉弧电源，再次将真空室抽至4～6×10-3Pa；
（5）向真空室通入工作气体N2气和O2气，工作压强由自动压强控制仪控制，N2气流量由质量流量计控制，按预设的流量通入N2，待真空度稳定后，再通入 O2达到工作压强，待真空室气体压强达到工作压强后，对泡沫金属载体加负偏压，开启弧电源，引燃电弧开始镀膜，其中工作压强1～6Pa、N2气体流量控制在3～6 sccm、偏压100～200 V、泡沫金属载体距靶面距离为150～200mm、工作电流30～50A，镀膜时间为15～20分钟，镀膜结束后得到泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂。
2.根据权利要求1所述的泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法，特征在于所述泡沫金属载体为泡沫镍、泡沫铜或泡沫铝。
3.根据权利要求2所述的泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法，特征在于所述泡沫金属载体的面密度为300～600g/m2，2.54cm的长度内孔的数目为60-140，载体厚度小于2.5mm，孔隙率大于95%。
4.根据权利要求3所述的泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法，特征在于所述泡沫金属载体上负载的掺氮二氧化钛组分中，二氧化钛含量为99.1wt%-99.4wt%，氮含量为0.6wt％～0.9wt％。
5.一种泡沫金属载体负载掺氮二氧化钛光催化剂，采用泡沫金属作为载体，掺氮二氧化钛作为活性组分，特征在于按权利要求1-4中任一制备方法制得。
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