CN110629271A - 异质结薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电催化材料技术领域,具体涉及一种异质结薄膜及其制备方法。该异质结薄膜的制备方法,包括如下步骤:提供NiTi合金片;以所述NiTi合金片为阳极,以含有钠盐和醇的混合溶液为电解液,进行微波阳极氧化处理,使所述NiTi合金片表面生成氧化膜;将所述表面生成氧化膜的NiTi合金片进行退火处理,得到NiTiO3/TiO2异质结薄膜。该制备方法得到的异质结薄膜具有很好的光电催化能力,对有机污染物具有优异的降解效率;另外,该制备方法工艺简单、耗时短、效率高,而且产品性能优良,具有很好的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光电催化材料技术领域,具体涉及一种异质结薄膜及其制备方法。
背景技术
TiO2作为一种良好的光电催化降解有机污染物材料,具有廉价易得、环境友好、性质稳定和光电活性优异等优点。但是,TiO2的禁带宽度较宽(锐钛矿型为3.2eV,金红石型为3.0eV),其价带电子往往只能被紫外光激发。紫外光通常只占太阳光的5%左右,因此,TiO2材料通常只能以高能耗的紫外灯作为光源,不能充分的利用太阳能,不利于其推广应用。
目前,有通过向TiO2中引入NiTiO3获得耦合半导体,该半导体禁带宽度窄,能够吸收可见光,从而提升TiO2的光电催化能力,其中的NiTiO3作为一种n型半导体,对太阳光中的可见光具有良好的吸收能力,其禁带宽度窄、光电催化活性好。但NiTiO3与TiO2的耦合半导体的降解效率都不高。
因此,现有技术有待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异质结薄膜及其制备方法,旨在解决TiO2的耦合半导体降解效率不高的技术问题。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明一方面提供一种异质结薄膜的制备方法,包括如下步骤:
提供NiTi合金片;
以所述NiTi合金片为阳极,以含有钠盐和醇的混合溶液为电解液,进行微波阳极氧化处理,使所述NiTi合金片表面生成氧化膜;
将所述表面生成氧化膜的NiTi合金片进行退火处理,得到NiTiO3/TiO2异质结薄膜。
本发明提供一种在NiTi合金片表面原位制备NiTiO3/TiO2异质结薄膜的方法,该制备方法以NiTi合金片为阳极,在该NiTi合金片表面通过微波阳极氧化以及退火的方式原位形成NiTiO3/TiO2异质结薄膜,这样得到的NiTiO3/TiO2异质结薄膜具有哑铃状孔洞结构的全新异质结构和形貌,具有很好的光电催化能力,对有机污染物具有优异的降解效率;另外,该制备方法工艺简单、耗时短、效率高,而且产品性能优良,具有很好的应用价值。
本发明另一方面提供一种异质结薄膜,所述异质结薄膜由本发明所述的异质结薄膜的制备方法制得的NiTiO3/TiO2异质结薄膜。
本发明提供的异质结薄膜是由本发明特有的制备方法得到的NiTiO3/TiO2异质结薄膜,该NiTiO3/TiO2异质结薄膜具有哑铃状孔洞结构的全新异质结构和形貌,且在可见光下具有很好的光电催化能力,对有机污染物具有优异的降解效率,具有很好的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的在NiTi合金片表面原位制备NiTiO3/TiO2异质结薄膜的SEM图;
图2是本发明实施例提供的在NiTi合金片表面原位制备NiTiO3/TiO2异质结薄膜的XRD图;
图3是本发明实施例提供的在NiTi合金片表面原位制备NiTiO3/TiO2异质结薄膜的方法获得的TEM图;
图4是本发明实施例提供的在NiTi合金片表面原位制备NiTiO3/TiO2异质结薄膜对应的NiTiO3傅里叶变换图;
图5是本发明实施例提供的在NiTi合金片表面原位制备NiTiO3/TiO2异质结薄膜对应的TiO2傅里叶变换图;
图6是本发明实施例提供的在NiTi合金片表面原位制备NiTiO3/TiO2异质结薄降解MB有机污染物的降解图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
一方面,本发明实施例提供了一种异质结薄膜的制备方法,该制备方法包括如下步骤:
S01:提供NiTi合金片;
S02:以所述NiTi合金片为阳极,以含有钠盐和醇的混合溶液为电解液,进行微波阳极氧化处理,使所述NiTi合金片表面生成氧化膜;
S03:将所述表面生成氧化膜的NiTi合金片进行退火处理,得到NiTiO3/TiO2异质结薄膜。
本发明实施例提供一种在NiTi合金片表面原位制备NiTiO3/TiO2异质结薄膜的方法,该制备方法以NiTi合金片为阳极,在该NiTi合金片表面通过微波阳极氧化处理以及退火的方式原位形成NiTiO3/TiO2异质结薄膜,这样得到的NiTiO3/TiO2异质结薄膜具有哑铃状孔洞结构的全新异质结构和形貌,具有很好的光电催化能力,对有机污染物具有优异的降解效率;另外,该制备方法工艺简单、耗时短、效率高,而且产品性能优良,具有很好的应用价值。
在上述步骤S01中,NiTi合金片为现成合金材料,可从市场上购得。在一个实施例中,所述NiTi合金片中的Ni元素与Ti元素的质量比为(45-55):(55-45),优选为55:45。所述NiTi合金片的厚度为0.2-0.4mm,优选为0.3mm。所述NiTi合金片在进行微波阳极氧化处理之前,可以先进行物理化学的表面处理,具体地,还包括如下的表面处理步骤:将所述NiTi合金片依次进行打磨抛光处理和超声清洗,然后烘干。其中,所述打磨抛光处理包括用100目-2000目的砂纸打磨抛光,如依次用100目、200目、500目、1000目、1500目、2000目的砂纸对其进行打磨抛光,直至镜面光滑;打磨抛光后,可以将其放入由HNO3、HF、H2O配成的溶液中浸泡,然后再超声清洗,而所述超声清洗包括依次用丙酮、乙醇和水各超声8-12min;最后,烘干的温度为75-85℃。对该NiTi合金片经过物理化学的表面处理,可以有效去除油污等杂质,确保表面洁净,从而更好地进行微波阳极氧化反应。
在上述步骤S02中,电解液是含有钠盐和醇的混合溶液。所述钠盐包括氯化钠和氟化钠中的至少一种;所述醇包括乙醇、乙二醇和丙醇中的至少一种。以氯化钠为例,其可以增加溶液的导电性和对合金片进行刻蚀,可用氟化钠替代,而醇试剂如乙二醇能使反应在温和的条件下进行,利于获得结构均一的表面。在一实施例中,钠盐为氯化钠,醇为乙二醇,所述电解液中氯化钠的浓度为0.4-0.6mol/L;优选为0.5mol/L。所述电解液中乙二醇的体积百分比为85-95%,优选为90%,例如电解液的溶剂可以为去离子水,此时水和乙二醇体积比为1:9。所述电解液的pH值为3-4。此处,氯化钠浓度过高过低都会影响异质结薄膜的致密性。
在一实施例中,电解液的配制步骤包括:将适量NaCl溶解于去离子水中,然后置于超声仪中至NaCl完全溶解,再将乙二醇加入到该溶液中,再置于超声仪中超声10min,获得混合均匀的电解液。配制完电解液后,以上述NiTi合金片为阳极,在电解液中进行电沉积反应。
微波阳极氧化法具有操作容易、工艺简单、加热条件均一,氧化膜均一、成本低廉以及实验时间短的优点。在一实施例中,在进行微波阳极氧化处理时,可以以石墨作为阴极,当然,并不局限于石墨,也可以是其它惰性阴极材料。直接参加微波阳极氧化反应的NiTi合金片的尺寸约为20mm*20mm*0.3mm。
在一实施例中,所述微波阳极氧化处理的温度为50-70℃;所述微波阳极氧化处理的时间为30-75min。所述微波阳极氧化处理的外加电压为15-35V;所述微波阳极氧化处理的电流为0.30-0.33A。微波阳极氧化处理时的温度过高或者外加反应电压过高可能会导致NiTi合金片发生溶解,而反应时间过长会导致氧化膜过于致密而脱落,破坏氧化膜的结构和形貌,温度过低、电压过小、时间过短获得的氧化膜太薄,氧化膜没有良好的性能。因此,上述微波阳极氧化时间、微波阳极氧化电压和温度范围内的微波阳极氧化处理效果较好。更优选地,微波阳极氧化处理的时间为60min,电压为25V,温度为50℃。
在上述步骤S03中,所述退火处理的温度为500-800℃;所述退火处理的时间为2-3h;所述退火处理的升温速率为5℃/min。退火处理的温度太低,无法获得晶体结构,温度过高结构会发生变化,从而使性能降低,因此上述温度范围内的退火效果较好,优选地,退火处理的温度为700℃。在一实施例中,退火处理过程中以5℃每分钟的速率加热至700℃,然后保温120min,最后随炉冷却至室温。
在一具体实施例中,该制备方法包括以下步骤:首先,对NiTi合金片进行物理化学处理,去除表面油污等杂质;其次,以NiTi合金片为阳极,以含有去离子水、氯化钠、乙二醇的混合溶液作为电解液,进行微波阳极氧化反应,使NiTi合金片表面生成薄膜;最后,将生成薄膜的NiTi合金片在一定温度条件下于马弗炉中退火,从而在NiTi合金片表面生成NiTiO3/TiO2异质结薄膜。上述制备的NiTiO3/TiO2异质结薄膜具有优异的光电催化降解有机污染物性能,而且制备工艺简单,不需要进行后续的合成与处理,只需通过微波阳极氧化就能直接获得所需产物的前驱体,能够大大节约实验成本和缩短实验周期。
另一方面,本发明实施例还提供了一种异质结薄膜,所述异质结薄膜由本发明实施例所述的异质结薄膜的制备方法制得的NiTiO3/TiO2异质结薄膜。
本发明实施例提供的异质结薄膜是由本发明实施例特有的制备方法得到的NiTiO3/TiO2异质结薄膜,该NiTiO3/TiO2异质结薄膜具有哑铃状孔洞结构的全新异质结构和形貌,且在可见光下具有很好的光电催化能力,对有机污染物具有优异的降解效率,具有很好的应用价值。
本发明实施例提供的NiTiO3/TiO2异质结薄膜在可见光照射4个小时的条件下,其对浓度为15mg/L的亚甲基蓝(Methylene Blue,MB)的降解效率超过90%;其中,光电降解时外加偏压为2.2V。
本发明先后进行过多次试验,现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述,下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种在NiTi合金片表面原位制备NiTiO3/TiO2异质结薄膜的方法,包括如下步骤:
(1)NiTi合金片表面处理:依次用100目、200目、500目、1000目、1500目、2000目的砂纸对NiTi合金片进行打磨抛光,然后放入由HNO3、HF、H2O配成的溶液中浸泡1min,接着分别用丙酮、乙醇、去离子水各超声10min,最后置于烘箱中烘干保存;
(2)电解液的配制:称取8.766g NaCl,将其加入到30ml去离子水中,超声10min使NaCl完全溶解得到NaCl溶液,然后向NaCl溶液中加入270ml乙二醇,超声10min,从而获得均匀的电解液;其中,溶液配制时,去离子水和乙二醇的比率为1:9;
(3)微波阳极氧化反应:将上述步骤(2)中配制好的电解液置于微波电沉积釜中,以石墨为阴极,以步骤(1)中表面处理好的NiTi合金片为阳极,将电解液加热稳定在50℃后加入电压,电压为25V,进行微波水热沉积反应,沉积60min获得氧化膜;
(4)反应完毕冷却后,将上述步骤(3)所得的样品经过乙醇清洗去除残留在氧化膜表面的乙二醇,在空气中晾干后置于马弗炉中退火,退火时加热速率为5℃/min,加热至700℃保温120min,然后随炉空冷,获得NiTiO3/TiO2异质结薄膜。
对本发明实施例获得的NiTiO3/TiO2异质结薄膜进行扫描电镜(SEM)扫描,结果如图1所示。从图1可知,低倍镜下,NiTiO3/TiO2异质结薄膜为均一的孔隙状结构,从高倍镜放大照片可以看出,NiTiO3/TiO2异质结薄膜为哑铃状孔洞结构。
同时,对所获得的NiTiO3/TiO2异质结薄膜进行X射线衍射(XRD)分析,结果如图2所示。从图2中可以看出,所得NiTiO3/TiO2异质结薄膜中含有NiTiO3和TiO2。其中,(006)、(012)和(018)为NiTiO3对应的一套衍射晶格,(110)、(211)和(301)为TiO2对应的一套衍射晶格。
同时,对所获得的NiTiO3/TiO2异质结薄膜进行透射电子显微镜(TEM)分析,结果如图3,NiTiO3厚度d=0.368nm,TiO2厚度d=0.325nm;各自对应的傅里叶变换图如图4和图5所示。从图3-图5中可以看出,所得的NiTiO3/TiO2异质结薄膜形成了良好的异质结构。
最后,对所获得的NiTiO3/TiO2异质结薄膜进行了光电催化降解MB性能测试,结果如图6所示。从图6中可以看出,NiTiO3/TiO2异质结薄膜对MB的降解效率超过90%,性能优异。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种异质结薄膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
提供NiTi合金片;
以所述NiTi合金片为阳极,以含有钠盐和醇的混合溶液为电解液,进行微波阳极氧化处理,使所述NiTi合金片表面生成氧化膜;
将所述表面生成氧化膜的NiTi合金片进行退火处理,得到NiTiO3/TiO2异质结薄膜。
2.如权利要求1所述的异质结薄膜的制备方法,其特征在于,所述NiTi合金片中,Ni元素与Ti元素的质量比为(45-55):(55-45);和/或,
所述NiTi合金片的厚度为0.2-0.4mm。
3.如权利要求1所述的异质结薄膜的制备方法,其特征在于,所述电解液中钠离子的浓度为0.4-0.6mol/L;和/或,
所述电解液中醇的体积百分比为85-95%;和/或,
所述电解液的pH值为3-4。
4.如权利要求1所述的异质结薄膜的制备方法,其特征在于,所述电解液中的钠盐包括氯化钠和氟化钠中的至少一种;和/或,
所述电解液中的醇包括乙醇、乙二醇和丙醇中的至少一种。
5.如权利要求4所述的异质结薄膜的制备方法,其特征在于,所述微波阳极氧化处理的温度为50-70℃;和/或,
所述微波阳极氧化处理的时间为30-75min。
6.如权利要求4所述的异质结薄膜的制备方法,其特征在于,所述微波阳极氧化处理的外加电压为15-35V;和/或,
所述微波阳极氧化处理的电流为0.30-0.33A。
7.如权利要求1-6任一项所述的异质结薄膜的制备方法,其特征在于,所述NiTi合金片在进行阳极氧化处理之前,还包括如下的表面处理步骤:将所述NiTi合金片依次进行打磨抛光处理和超声清洗,然后烘干。
8.如权利要求7所述的异质结薄膜的制备方法,其特征在于,所述打磨抛光处理包括用100目-2000目的砂纸打磨抛光;和/或,
所述超声清洗包括依次用丙酮、乙醇和水各超声8-12min;和/或,
所述烘干的温度为75-85℃。
9.如权利要求1-6任一项所述的异质结薄膜的制备方法,其特征在于,所述退火处理的温度为500-800℃;和/或,
所述退火处理的时间为2-3h;和/或,
所述退火处理的升温速率为5℃/min。
10.一种异质结薄膜,其特征在于,所述异质结薄膜为权利要求1-9任一项所述的异质结薄膜的制备方法制得的NiTiO3/TiO2异质结薄膜。
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