CN103464131B - 一种具有可见光波段优异光催化性能的氧化钛薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有可见光波段优异光催化性能的氧化钛薄膜，系统研究该氧化钛催化剂薄膜的制备及改性工艺，以期获得最佳的制备工艺以得到催化性能优异的氧化钛光催化薄膜。结果表明四异丙氧化钛、无水乙醇、二乙醇胺、醋酸的物料比例以及激光改性的工艺处理参数，都对薄膜的光催化性能有重要影响，经过合理优化，制得了最佳性能的氧化钛光催化薄膜。

Description

一种具有可见光波段优异光催化性能的氧化钛薄膜
技术领域
本发明涉及氧化钛光催化技术领域，特别是一种具有可见光波段优异光催化性能的氧化钛薄膜。
背景技术
氧化钛（TiO2）具有优异的紫外光照射光催化性能，能够有效的消臭、抗菌、防污，加之稳定性好、无毒、成本低廉等有点，被广泛作为光催化材料所使用和研究。然而，氧化钛的禁带较宽，只有波长小于380nm的紫外线才能激发产生光生电子-空穴对，而对于波长较长的可见光响应较差。
为了扩大氧化钛的应用领域和应用效果，近年来对于氧化钛进行改性以提高其可见光利用率的研究盛行，其中主要的改性方法包括贵金属沉积、离子掺杂、半导体复合等等。然而这些方法都是在氧化钛的制备过程中加入了一定的添加掺杂剂，提高了氧化钛催化剂的制备和使用成本，工艺也较为复杂。
激光改性是一种较为有效的在氧化钛内部形成氧元素缺陷，从而改变其能带结构、改善光催化性能的行之有效的方法，例如ZL200810201419.8中就公开了一种氧化钛催化剂的制备和改性方法。然而其原料繁杂，应用领域单一（主要以纤维织物为对象），对于激光改性的研究也十分粗浅，难于进行有效广泛的应用。
发明内容
本发明的目的即在于系统研究氧化钛催化剂薄膜的制备及改性工艺，以期获得最佳的制备工艺以得到催化性能优异的氧化钛光催化薄膜。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有可见光波段优异光催化性能的氧化钛薄膜，其特征在于由以下步骤制备得到：
（1）将摩尔比为1:6-8的四异丙氧化钛和无水乙醇在容器中混配，采用电磁搅拌15-20min，得到A液；
（2）将二乙醇胺逐滴滴加到A液中，滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.2-0.25倍，随后将混合溶液电磁搅拌35-40min，得到B液；
（3）将醋酸逐滴滴加到B液中，滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.35-0.4倍，随后将混合溶液电磁搅拌4-5h得到溶胶；
（4）采用陶瓷作为基板，先将基板用丙酮超声清洗10min后，再在100-120℃条件下烘干10min同时辅吹N2，随后将溶胶滴加至基板上以2000-2200rpm的转速实施旋涂1-1.5min，得到湿膜；
（5）将涂布湿膜的陶瓷基片置于马弗炉中以2-2.5℃/min的升温速率升温至400-420℃，焙烧2.5-3h；
（6）对得到的陶瓷基板上的氧化钛光催化薄膜进行激光改性处理，所述激光改性的条件是，激光垂直辐照，激光波长为800nm，脉冲宽度160-180fs，频率1kHz，光斑直径300μm，扫描速度为1.5-2mm/s，搭接率为50-60%，能量密度为50-60mJ/cm2；
（7）将激光改性处理后的薄膜置于退火炉中，以5-8℃/min的升温速率升温至500-550℃，退火1-1.5h，得到最终的氧化钛催化剂薄膜产品。
进一步优选的，四异丙氧化钛和无水乙醇的摩尔比为1:7。
进一步优选的，二乙醇胺的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.25倍。
进一步优选的，醋酸的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.38倍。
进一步优选的，能量密度为55 mJ/cm2。
进一步优选的，退火温度为530℃。
本发明的优点是：优选了原料和相应的制备工艺参数，通过简单的溶胶法以及合理的激光改性和退火工艺成功改善了薄膜的光催化性能，从而获得具有可见光波段优异光催化性能的氧化钛薄膜。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明。
实施例1.
（1）将摩尔比为1:6的四异丙氧化钛和无水乙醇在容器中混配，采用电磁搅拌20min，得到A液；
（2）将二乙醇胺逐滴滴加到A液中，滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.2倍，随后将混合溶液电磁搅拌40min，得到B液；
（3）将醋酸逐滴滴加到B液中，滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.35倍，随后将混合溶液电磁搅拌4h得到溶胶；
（4）采用陶瓷作为基板，先将基板用丙酮超声清洗10min后，再在110℃条件下烘干10min同时辅吹N2，随后将溶胶滴加至基板上以2000rpm的转速实施旋涂1.5min，得到湿膜；
（5）将涂布湿膜的陶瓷基片置于马弗炉中以2.5℃/min的升温速率升温至400℃，焙烧3h；
（6）对得到的陶瓷基板上的氧化钛光催化薄膜进行激光改性处理，所述激光改性的条件是，激光垂直辐照，激光波长为800nm，脉冲宽度170fs，频率1kHz，光斑直径300μm，扫描速度为2mm/s，搭接率为60%，能量密度为50mJ/cm2；
（7）将激光改性处理后的薄膜置于退火炉中，以6℃/min的升温速率升温至500℃，退火1.5h，得到最终的氧化钛催化剂薄膜产品。
实施例2.
与实施例1的主要不同在于四异丙氧化钛和无水乙醇的摩尔比为1:7。
实施例3.
与实施例1的主要不同在于四异丙氧化钛和无水乙醇的摩尔比为1:8。
比较例1.
与实施例1的主要不同在于四异丙氧化钛和无水乙醇的摩尔比为1:4。
比较例2.
与实施例1的主要不同在于四异丙氧化钛和无水乙醇的摩尔比为1:10。
四异丙氧化钛和无水乙醇的摩尔比对于薄膜光催化性能的影响参见表1（采用原始浓度100ppm的乙醛作为分解对象，分别使用320nm的中波紫外线和700nm的可见光辐照2小时后测量残留的乙醛浓度作为评价标准）。
由表1的结果可知，四异丙氧化钛和无水乙醇的摩尔比对于薄膜的光催化性能有较为重要的影响，过高的无水乙醇混配量将会过分抑制四异丙氧化钛活性从而影响氧化钛薄膜的制备质量以及光催化性能，而过低的无水乙醇混配量将由于没有起到相应的抑制作用而造成氧化钛薄膜质量不均匀而影响其光催化活性，本申请将二者的比例限定为1:6-8，优选1:7。
实施例4.
与实施例1的主要不同在于二乙醇胺的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.25倍。
比较例3.
与实施例1的主要不同在于二乙醇胺的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.3倍。
比较例4.
与实施例1的主要不同在于二乙醇胺的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.1倍。
二乙醇胺的滴加量对于薄膜光催化性能的影响参见表2（评价条件与表1相同）。
由表2的结果可知，二乙醇胺的添加量对于薄膜催化性能的影响并不如乙醇的明显，但仍然需要合理的添加，过高的二乙醇胺滴加量并不会更好地促进溶胶及薄膜的形成，而过低二乙醇胺滴加量将导致水解反应的不充分而影响氧化钛薄膜的制备质量以及光催化性能，本申请将二乙醇胺的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.2-0.25倍，优选为0.25倍。
实施例5.
与实施例1的主要不同在于醋酸的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.38倍。
实施例6.
与实施例1的主要不同在于醋酸的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.4倍。
比较例5.
与实施例1的主要不同在于醋酸的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.3倍。
比较例6.
 与实施例1的主要不同在于醋酸的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.5倍。
醋酸的滴加量对于薄膜光催化性能的影响参见表3（评价条件与表1相同）。
 
由表3的结果可知，醋酸的添加量对于薄膜催化性能的影响很重要，过高的醋酸的添加量将会使得水解反应过于剧烈而造成氧化钛薄膜的均匀性变差进而催化性能变差，而过低的醋酸的添加量将难以有效促进水解反应的发生而造成氧化钛薄膜质量差而影响其光催化活性，本申请将醋酸的滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.35-0.4倍，优选为0.38倍。
实施例7.
与实施例1的主要不同在于能量密度为55mJ/cm2。
实施例8.
与实施例1的主要不同在于能量密度为60mJ/cm2。
比较例7.
与实施例1的主要不同在于能量密度为40mJ/cm2。
比较例8.
与实施例1的主要不同在于能量密度为70mJ/cm2。
比较例9.
与实施例1的主要不同在于不实施步骤（6）、（7）的改性及退火处理。
激光改性能量密度对于薄膜光催化性能的影响参见表4（评价条件与表1相同）。
由表4的结果可知，未经改性处理的比较例9号的测试结果，虽然紫外线辐照后光催化性能变化不大，但是可见光部分影响非常明显。此外，虽然随着辐照能量密度的升高，薄膜的光催化性能逐渐升高，但是由于能量密度过大将对薄膜的力学性能和外形产生重要影响，且考虑到过高的能量密度并不能获得更显著的性能改变，因此将激光能量密度上限设定为60 mJ/cm2，下限设定为50 mJ/cm2，优选55 mJ/cm2。
此外，考虑比较了经过退火处理和未经退火处理的试样，发现以5-8℃/min的升温速率升温至500-550℃，退火1-1.5h，能够很好的改善薄膜的力学性能和稳定性，特别优选6℃/min的升温速率升温至500℃，退火1.5h。

Claims (1)

1.一种具有可见光波段优异光催化性能的氧化钛薄膜，其特征在于由以下步骤制备得到：
(1)将摩尔比为1:7的四异丙氧化钛和无水乙醇在容器中混配，采用电磁搅拌15-20min，得到A液；
(2)将二乙醇胺逐滴滴加到A液中，滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.25倍，随后将混合溶液电磁搅拌35-40min，得到B液；
(3)将醋酸逐滴滴加到B液中，滴加量为四异丙氧化钛摩尔量的0.38倍，随后将混合溶液电磁搅拌4-5h得到溶胶；
(4)采用陶瓷作为基板，先将基板用丙酮超声清洗10min后，再在100-120℃条件下烘干10min同时辅吹N2，随后将溶胶滴加至基板上以2000-2200rpm的转速实施旋涂1-1.5min，得到湿膜；
(5)将涂布湿膜的陶瓷基片置于马弗炉中以2-2.5℃/min的升温速率升温至400-420℃，焙烧2.5-3h；
(6)对得到的陶瓷基板上的氧化钛光催化薄膜进行激光改性处理，所述激光改性的条件是，激光垂直辐照，激光波长为800nm，脉冲宽度160-180fs，频率1kHz，光斑直径300μm，扫描速度为1.5-2mm/s，搭接率为50-60％，能量密度为55mJ/cm2；
(7)将激光改性处理后的薄膜置于退火炉中，以5-8℃/min的升温速率升温至530℃，退火1-1.5h，得到最终的氧化钛催化剂薄膜产品。
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