CN104138766A - 可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法 - Google Patents
可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104138766A CN104138766A CN201410392446.3A CN201410392446A CN104138766A CN 104138766 A CN104138766 A CN 104138766A CN 201410392446 A CN201410392446 A CN 201410392446A CN 104138766 A CN104138766 A CN 104138766A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- tio
- preparation
- visible light
- doped
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 26
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 title abstract description 9
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 60
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 59
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 12
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 10
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 6
- 238000013033 photocatalytic degradation reaction Methods 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 5
- STZCRXQWRGQSJD-GEEYTBSJSA-M methyl orange Chemical compound [Na+].C1=CC(N(C)C)=CC=C1\N=N\C1=CC=C(S([O-])(=O)=O)C=C1 STZCRXQWRGQSJD-GEEYTBSJSA-M 0.000 description 4
- 229940012189 methyl orange Drugs 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 230000000640 hydroxylating effect Effects 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 2
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 230000036632 reaction speed Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000844 anti-bacterial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000003595 mist Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 238000002294 plasma sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005477 sputtering target Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000009281 ultraviolet germicidal irradiation Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Catalysts (AREA)
Abstract
一种可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法，包括如下步骤：(a)用N离子源轰击TiO2薄膜；并且(b)使得所述薄膜中N元素的掺杂量提高到21％。本发明的可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜催化剂，有相对较高的N掺杂量，减小TiO2价带与导带间的禁带宽度；形成的晶相为anatase相TiO2，并且，可直接制备得到纳米晶结构的anatase相TiO2。
Description
技术领域
本发明涉及一种改进的可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜制备方法，属于光催化材料领域。
背景技术
TiO2是一种n型宽禁带半导体材料，具有独特的性能：氧化能力强、化学性能稳定、催化效率高、杀菌范围宽、无刺激性、安全无毒、无二次污染、价格低廉等优点。因此TiO2可以用于制作光催化材料、电解质材料、减反射涂层材料、氧传感器、湿度传感器等，实现有机物降解、自清洁以及太阳能转换等功能。
1972年，日本的Fujishlin等人研究发现TiO2单晶电极在紫外光照射下可以将H2O分解成H2和O2。自此，多相有机物光催化反应引起研究人员浓厚的兴趣，并对此进行了大量的研究，探索该反应过程的原理，并致力于提高TiO2光催化效率以及实现TiO2可见光催化活性。
半导体光催化主要包括两个过程：
(1)光激发带间跃迁过程，价带电子从价带跃迁到导带，形成光生空穴－电子对；
(2)光生电子和光生空穴与表面的吸附态离子相互作用。
Asahi采用N2/Ar混合气体中用磁控溅射方法合成N-TiO2薄膜，认为N原子取代了TiO2中的O原子，这些N原子的掺杂形成了N的2p态和O的2p态的混合态，使得TiO2的价带与导带间的带隙变窄，对可见光的响应增强。R.Asahi等人的工作使N掺杂被认为是提高TiO2在可见光波段光催化活性最有效的方法之一，并使N掺杂成为目前TiO2掺杂领域研究的热点。
发明内容
本发明旨在提供一种的可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜催化剂，有相对较高的N掺杂量，减小TiO2价带与导带间的禁带宽度；形成的晶相为anatase相TiO2，并且，可直接制备得到纳米晶结构的anatase相TiO2。
为了达成上述目的，本发明的提供了一种可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法，包括如下步骤：(a)用N离子源轰击TiO2薄膜；并且(b)使得所述薄膜中N元素的掺杂量提高到21％。
一些实施例中，使得所述N-TiO2薄膜中N掺杂的有效注入达到110nm。
一些实施例中，使得所述N-TiO2薄膜中N/Ti的平均原子达0.50。
一些实施例中，使得所述N-TiO2薄膜中O/Ti的平均原子可达0.62。
一些实施例中，还包括不经过退火过程，直接形成纳米晶结构的anatase相的所述N-TiO2薄膜。
本发明的效果是提高N的掺杂量可以改善N-TiO2薄膜的性能，可见光范围的透光率单调降低，当光通过样品时，一部分光透射过去，一部分光反射回去，还有一部分光被吸收，从透光率逐渐减弱，我们也可得出可见光范围的平均吸光度应单调增加。N-TiO2薄膜内N元素含量增加，使得N-TiO2薄膜的禁带宽度变窄，表面的岛状结构越加明显，光吸收效率就会提高,从而会增加表面光生载流子的浓度，提高了其催化活性；同时，随着粒径变小，表面粗糙度变大，比表面积增大，反应物在表面的吸附量增加，从而增大了反应速度；并且，在光催化反应中，TiO2表面要经历羟基化过程，粒径越小表面原子比例增大，表面羟基的数目也随之增加，因此，N-TiO2薄膜的光催化降解效率增强，并促进TiO2薄膜在可见光条件下实现光催化，同时，直接形成纳米晶结构的anatase相TiO2，可省去退火过程，简化工艺，节约资源。
以下结合附图，通过示例说明本发明主旨的描述，以清楚本发明的其他方面和优点。
附图说明
结合附图，通过下文的详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特 征和优点，其中：
图1为根据本发明实施例的可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法的流程图；
图2为TiO2薄膜和本发明N-TiO2薄膜的AFM对比；及
图3为N-TiO2薄膜光催化降解甲基橙的降解率。
具体实施方式
参见本发明具体实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。
现参考附图详细说明根据本发明实施例的可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法。
如图1所示，步骤S101中，用N离子源轰击TiO2薄膜。本实施例中，可采用业界常规的N离子源，以及常规的轰击方法。
步骤S102中，使得所述薄膜中N元素的掺杂量提高到21％。此步骤中，使得所述N-TiO2薄膜中N掺杂的有效注入达到110nm。此外，使得所述N-TiO2薄膜中N/Ti的平均原子达0.50。使得所述N-TiO2薄膜中O/Ti的平均原子可达0.62。
较佳实施例中，还包括不经过退火过程，直接形成纳米晶结构的anatase相的所述N-TiO2薄膜。
现参考图2和3详细描述根据本发明可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法制备N掺杂TiO2薄膜的实例。
实施例1
利用高真空多功能复合镀膜机系统，采用直流脉冲磁控溅射方法在室温下通过改变O2流量，来制备具有不同晶体结构的N-TiO2薄膜，以研究O2流量不同时，N-TiO2薄膜沉积速率、化学成分、结晶状态及光催化性能的变化。衬底材 料选用普通载玻片，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗，然后经N2吹干，标记台阶后，立即放入真空室，固定在载物台上。
溅射靶材为纯度是99.99％的金属Ti靶(200×90mm2)，靶材与衬底之间的平行距离为110mm。工作气体为高纯Ar(99.999％)，高纯O2(99.999％)和高纯N2(99.999％)，真空室本底真空为2.0×10-3Pa，工作压强为0.6Pa，Ar和O2流量分别固定为14cm3·min-1(sccm)和6sccm。样品沉积前，先关闭挡板，将靶材封闭，利用Ar等离子体溅射靶材表面5min(Ar流量为20sccm，溅射功率为300W)，以去除Ti靶表面附着的污染物，然后移开挡板开始沉积TiO2薄膜，之后再用N离子源轰击TiO2薄膜10min，来制备N-TiO2薄膜。
用上述工艺制备所得的N-TiO2薄膜性能如下：
1.当N离子源工作压强为0.5Pa时，N-TiO2薄膜的平均吸光度为24％。
2.N-TiO2薄膜中N的原子百分含量为16.23％。
3.N-TiO2薄膜的N/Ti的平均原子比为0.43，O/Ti的平均原子比为0.87。
4.N-TiO2薄膜RMS值为1.42。
5.N-TiO2薄膜为非晶结构。
6.N-TiO2薄膜光催化降解甲基橙的降解率为32.3％。
实施例2
具体实施方式与实施例1相同，N离子源工作压强为0.5Pa；
用上述工艺参数制备所得的N-TiO2薄膜性能如下：
1.当N离子源工作压强为0.7Pa时，N-TiO2薄膜的平均吸光度为31％。
2.N-TiO2薄膜中N的原子百分含量为18.09％。
3.N-TiO2薄膜的N/Ti的平均原子比为0.45，O/Ti的平均原子比为0.76。
4.N-TiO2薄膜RMS值为1.23。
5.N-TiO2薄膜为非晶结构。
6.N-TiO2薄膜光催化降解甲基橙的降解率为35.1％。
实施例3
具体实施方式与实施例1相同，N离子源工作压强为0.9Pa；
用上述工艺参数制备所得的N-TiO2薄膜性能如下：
1.当N离子源工作压强为0.9Pa时，N-TiO2薄膜的平均吸光度为45％。
2.N-TiO2薄膜中N的原子百分含量为20.11％。
3.N-TiO2薄膜的N/Ti的平均原子比为0.49，O/Ti的平均原子比为0.61。
4.N-TiO2薄膜RMS值为0.88。
5.N-TiO2薄膜为anatase相TiO2晶体结构。
6.N-TiO2薄膜光催化降解甲基橙的降解率为37.6％。
本发明的效果是提高N的掺杂量可以改善N-TiO2薄膜的性能，可见光范围的透光率单调降低，当光通过样品时，一部分光透射过去，一部分光反射回去，还有一部分光被吸收，从透光率逐渐减弱，我们也可得出可见光范围的平均吸光度应单调增加。N-TiO2薄膜内N元素含量增加，使得N-TiO2薄膜的禁带宽度变窄，表面的岛状结构越加明显，光吸收效率就会提高,从而会增加表面光生载流子的浓度，提高了其催化活性；同时，随着粒径变小，表面粗糙度变大，比表面积增大，反应物在表面的吸附量增加，从而增大了反应速度；并且，在光催化反应中，TiO2表面要经历羟基化过程，粒径越小表面原子比例增大，表面羟基的数目也随之增加，因此，N-TiO2薄膜的光催化降解效率增强，并促进TiO2薄膜在可见光条件下实现光催化，同时，直接形成纳米晶结构的anatase相TiO2，可省去退火过程，简化工艺，节约资源。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)用N离子源轰击TiO2薄膜；并且
(b)使得所述N-TiO2薄膜中N元素的掺杂量提高到21％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使得所述N-TiO2薄膜中N掺杂的有效注入达到110nm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，使得所述N-TiO2薄膜中N/Ti的平均原子达0.50。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，使得所述N-TiO2薄膜中O/Ti的平均原子可达0.62。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：
(c)不经过退火过程，直接形成纳米晶结构的anatase相的所述N-TiO2薄膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410392446.3A CN104138766A (zh) | 2014-08-11 | 2014-08-11 | 可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410392446.3A CN104138766A (zh) | 2014-08-11 | 2014-08-11 | 可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104138766A true CN104138766A (zh) | 2014-11-12 |
Family
ID=51848206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410392446.3A Pending CN104138766A (zh) | 2014-08-11 | 2014-08-11 | 可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104138766A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003265966A (ja) * | 2002-03-18 | 2003-09-24 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 光触媒体及びその製造方法 |
| CN1555913A (zh) * | 2003-12-30 | 2004-12-22 | 上海交通大学 | 光催化活性氮掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法 |
| CN101026200A (zh) * | 2007-03-23 | 2007-08-29 | 哈尔滨工业大学 | 氨气调控氮掺杂改性TiO2薄膜的制备方法及高压反应装置 |
| CN101157021A (zh) * | 2007-11-01 | 2008-04-09 | 复旦大学 | 一种可见光活性氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备方法 |
| CN103143379A (zh) * | 2013-03-06 | 2013-06-12 | 北京化工大学 | 一步法制备氮掺杂二氧化钛反蛋白石薄膜光催化剂的方法 |
| CN103230807A (zh) * | 2013-04-18 | 2013-08-07 | 武汉大学 | 一种离子束掺杂制备宽光谱响应二氧化钛薄膜的方法 |
-
2014
- 2014-08-11 CN CN201410392446.3A patent/CN104138766A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003265966A (ja) * | 2002-03-18 | 2003-09-24 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 光触媒体及びその製造方法 |
| CN1555913A (zh) * | 2003-12-30 | 2004-12-22 | 上海交通大学 | 光催化活性氮掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法 |
| CN101026200A (zh) * | 2007-03-23 | 2007-08-29 | 哈尔滨工业大学 | 氨气调控氮掺杂改性TiO2薄膜的制备方法及高压反应装置 |
| CN101157021A (zh) * | 2007-11-01 | 2008-04-09 | 复旦大学 | 一种可见光活性氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备方法 |
| CN103143379A (zh) * | 2013-03-06 | 2013-06-12 | 北京化工大学 | 一步法制备氮掺杂二氧化钛反蛋白石薄膜光催化剂的方法 |
| CN103230807A (zh) * | 2013-04-18 | 2013-08-07 | 武汉大学 | 一种离子束掺杂制备宽光谱响应二氧化钛薄膜的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Efficient hydrogen production by photocatalytic water splitting using N-doped TiO2 film | |
| Chen et al. | Investigation of nitrogen doped TiO2 photocatalytic films prepared by reactive magnetron sputtering | |
| Gong et al. | BiVO4 photoanodes for water splitting with high injection efficiency, deposited by reactive magnetron co-sputtering | |
| Yu et al. | Photocatalytic activity and characterization of the sol-gel derived Pb-doped TiO 2 thin films | |
| CN101591769B (zh) | 一种C、N含量可调的共掺杂纳米TiO2薄膜的制备方法 | |
| Meng et al. | A mechanism for enhanced photocatalytic activity of nano-size silver particle modified titanium dioxide thin films | |
| Fakhouri et al. | Highly efficient photocatalytic TiO2 coatings deposited by open air atmospheric pressure plasma jet with aerosolized TTIP precursor | |
| Zhu et al. | Cu-Ni nanowire-based TiO2 hybrid for the dynamic photodegradation of acetaldehyde gas pollutant under visible light | |
| CN103361631B (zh) | 一种用于光催化的氧化锌掺杂氧化钛薄膜的制备方法 | |
| Takeuchi et al. | Ion engineering techniques for the preparation of the highly effective TiO 2 photocatalysts operating under visible light irradiation | |
| CN103143379A (zh) | 一步法制备氮掺杂二氧化钛反蛋白石薄膜光催化剂的方法 | |
| CN102350364B (zh) | 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 | |
| Meng et al. | Enhanced photocatalytic activity of silver nanoparticles modified TiO2 thin films prepared by RF magnetron sputtering | |
| CN1552653A (zh) | 双光子多功能的纳米复合膜的自洁净玻璃 | |
| Regmi et al. | Radio frequency (RF) sputtered ZrO2-ZnO-TiO2 coating: An example of multifunctional benefits for thin film solar cells on the flexible substrate | |
| CN103736500B (zh) | 一种二氧化钛/硫化镉/二氧化钛复合薄膜及其应用 | |
| KR101749067B1 (ko) | 박막형 이종접합 메타구조체 및 그 제조방법 | |
| CN108579775B (zh) | 一种磷酸银/银/二氧化钛纳米花复合材料及其制备方法与应用 | |
| Bai et al. | Effect of Zn and Ti mole ratio on microstructure and photocatalytic properties of magnetron sputtered TiO2–ZnO heterogeneous composite film | |
| CN110136966B (zh) | 一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料及其制备方法 | |
| CN110444402B (zh) | 一种提高BiVO4光阳极光电化学性能的方法 | |
| Park et al. | Photocatalytic evaluation of ATO/TiO2 heterojunction films fabricated by a nanoparticle deposition system | |
| Wang et al. | Investigation of the photoreactivity of nanocrystalline TiO2 thin film by ion-implantation technique | |
| CN104138766A (zh) | 可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法 | |
| CN105618037A (zh) | 一种二氧化钛-银复合光催化薄膜及其制备方法和应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141112 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |