CN114807877A - 一种黑色二氧化钛光催化薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种黑色二氧化钛光催化薄膜及其制备方法和应用。所述制备方法为采用直流磁控溅射法在基底制备黑色二氧化钛光催化薄膜；所述直流磁控溅射法包括：本底真空为10‑5～10‑3Pa、直流溅射功率100～200W、溅射电压350～400V；溅射气氛为氧气和氩气的混合气；工作压力为0.1～1Pa。

Description

一种黑色二氧化钛光催化薄膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法，属于环境治理和能源生产领域。
背景技术
在世界的发展过程中，能源短缺和环境问题一直困扰着人类。1972年，日本科学家Fujishima和Honda在二氧化钛电极上发现了光催化分解水的现象，从此光催化的现象正式成为了一项热门的研究。光催化凭借其在室温下深度反应和可利用太阳光直接驱动反应成为了一种理想的环境治理和清洁能源生产技术。二氧化钛凭借其优良的光催化活性，低廉的成本，较好的稳定性被人们广泛研究应用于染料敏化太阳能电池，光解水制氢，水污染治理，光电致变色器件等方向。
然而，二氧化钛存在着带隙较宽，光生载流子复合概率高的问题。其激发波长小于可见光波段，仅能利用太阳光能量的4％，并且由于其本征导电率不高，产生的电子空穴对未能良好的分离，容易在体内复合。这些问题影响着二氧化钛在上述领域的应用，因此，近年来，许多研究者针对改善其光吸收做出了不少研究。
在2011年，有研究者指出通过在氢气氛围下对白色二氧化钛进行热处理后变为了黑色，这极大的增加了二氧化钛对可见光的吸收，并且有效提升了光催化效果。后来的研究者们针对黑色二氧化钛的研究，提出了使用等离子体辅助氢气还原，铝热还原等方法进行制备，获得了各种具有可见光催化性能的黑色二氧化钛材料。
上述的制备黑色二氧化钛的方法，一般需要经过长时间或者高温处理，过程较为复杂，不利于快速的获得黑色二氧化钛，这限制了其实际的使用。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种全新的黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法，所述制备方法可以快速制备出具有高性能的黑色二氧化钛光催化材料，从而在光催化及光热转化方面实现应用。
一方面，本发明提供了一种黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射法在基底制备黑色二氧化钛光催化薄膜：所述直流磁控溅射法包括：本底真空为10-5～10-3Pa、直流溅射功率100～200W、溅射电压350～400V；溅射气氛为氧气和氩气的混合气；工作压力为0.1～1Pa。根据反应方程:Ti+(x/2)O2→TiOx(0≤x≤2)，当x＜2时，即氧气的量不足时会出现钛不完全氧化的情况，从而在薄膜中形成氧缺陷和钛的亚氧化物，从而在导带和价带间产生中间价态，从而使得带隙变窄，能够吸收波长更长的可见光。
较佳的，所述混合气气体的总流量为30～50sccm；优选地，所述氧气和氩气的流量比为1:19～1:4。更优选地，所述氧气和氩气的流量比为1:7～1:6.5。若混合气体的比例小于1:19，会导致溅射速率过快，溅射出来的钛原子难以氧化，从而得到以金属钛为主要成分的薄膜。若混合气体的比例大于1:4，会导致靶材的表面出现明显的氧化，生成较厚的二氧化钛层，降低表面的导电性，此时出现明显的中毒现象，难以溅射出原子形成薄膜。
较佳的，在溅射功率不变前提下，由于溅射过程中，当表面的氧化物含量增多时，会出现明显的电荷积累，从而使得靶材表面的电压提升，反之则降低，所以通过微调混合气中氧气流量大小来实现溅射电压的调控；优选地，当溅射电压升高时减少氧气流量，当溅射电压降低时增加氧气流量。
当氧气变动量过大，溅射电压变动量过大，则会使得溅射的速率变动过大，影响薄膜的均匀性。更优选地，每次微调时，混合气中氧气流量的增多或减少的幅度小于1sccm。
较佳的，所述基底为玻璃、石英、单晶硅片中的一种。
较佳的，所述钛靶的纯度≥99.99％。
较佳的，所述钛靶的直径为100～101.6mm。
较佳的，制备黑色二氧化钛光催化薄膜所需的溅射时间≥10min。所述黑色二氧化钛薄膜的厚度与溅射时间成近线性正相关。
较佳的，采用直流磁控溅射法对钛靶进行预溅射以去除钛靶表面的氧化钛层。
较佳的，所述预溅射的参数包括：直流电源功率100～200W，工作气氛为氩气，工作压力为0.1～1Pa，预溅射时间10～20分钟。
另一方面，本发明提供了一种根据上述制备方法得到的黑色二氧化钛光催化薄膜，所述黑色二氧化钛光催化薄膜的相组成包含非晶TiO2、结晶相Ti2O3和结晶相Ti3O5。
较佳的，所述黑色二氧化钛光催化薄膜的厚度为100nm～5μm。
较佳的，所述黑色二氧化钛光催化薄膜在350～800nm波段下，光学吸收率在60％～93％之间。
有益效果：
1、本发明首次利用直流反应磁控溅射技术制备了黑色二氧化钛薄膜，不涉及氢气等易燃易爆气体，能够保证制备中的安全问题。
2、本发明中反应溅射的设备成本低廉，所需的工艺步骤简单，可快速制备出大面积的黑色二氧化钛薄膜，生产效率高，降低生产成本，实现工业化生产，具有良好的应用价值和发展前景。
3、本发明中，黑色二氧化钛薄膜对可见光的吸收率能够达到93％。
附图说明
图1为本发明的制备过程及基本原理示意图。
图2为本发明实施例1-3制备的黑色二氧化钛薄膜与透明二氧化钛薄膜的对比照片；图中90％、80％、67％的样品分别对应实施例1、实施例2、实施例3所得的黑色二氧化钛薄膜。
图3为实施例1-3在不同氧气占比下(13.5％、13％、8.5％)所制备的黑色二氧化钛薄膜的光吸收百分比曲线；图中13.5％、13％、8.5％的曲线分别对应实施例1、实施例2、实施例3所得的黑色二氧化钛薄膜。
图4为不同平均吸光度(90％、80％、67％)薄膜的表面微观形貌扫描电子显微镜照片；图中90％、80％、67％的样品分别对应实施例1、实施例2、实施例3所得的黑色二氧化钛薄膜。
图5为不同氧气比下(13.5％、13％、8.5％)制备的黑色二氧化钛的X射线衍射花样图；图中13.5％、13％、8.5％的曲线分别对应实施例1、实施例2、实施例3所得的黑色二氧化钛薄膜。
图6为不同吸光系数的黑色二氧化钛薄膜的X射线光电子能谱；可以看出薄膜中的钛元素主要以+4价存在，即为TiO2。
图7为在玻璃基片上镀制的实施例1-3在氙灯照射下对罗丹明B水溶液的光催化降解动力学曲线；从图中可以看出随着吸收率上升薄膜对罗丹明B的降解速率出现明显提升，高吸收有助于薄膜的光催化性能提升。
图8为本发明实施例1-3在模拟太阳光的300w氙灯下20cm处照射3min后温度的变化，可以看到随着薄膜吸光度上升，其光热转化能力提升。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在本公开中，以钛靶作为原料，采用直流磁控溅射法进行溅射，控制溅射功率及溅射气氛，可制备黑色TiO2光催化薄膜。
以下示例性地说明本发明提供的黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法。
靶材的选择。本发明中选用高纯度钛靶作为靶材。
基底的超声清洗。具体来说，将所需的基底进行超声清洗，例如分别用去离子水、酒精、丙酮等超声介质进行超声清洗。其中超声清洗的功率为50～200W。每采用一种超声介质，该清洗的时间可为10～20min。
基底的射频清洗。将清洗后的基底装入磁控溅射炉，进行进一步的射频清洗。其中，射频清洗可采用氩离子轰击2～10min，氩气流量可为10～20sccm，所选的电源功率可为50～100W。
预溅射。对高纯钛靶进行预溅射以去除钛靶材表面的氧化层，使表层为金属钛。其中，预溅射时间可为10～20min，具体考虑靶材表面氧化情况而定。预溅射电源可为直流电源，功率可为100～200W。预溅射气氛可为纯氩气，工作压力可为0.1～1Pa。
将基底装入溅射的腔室中，将腔室的气压降至一定程度。随后通入氧气和氩气的混合气体，用直流电源对钛靶进行溅射，保持恒定的溅射功率，调整混合气体的流量使得溅射时的靶面电压在理想范围内。本发明通过控制不同的溅射气氛，得到了不同光吸收率的黑色TiO2薄膜。其中气压可以先抽至本底真空10-5～10-3Pa。其中混合气体种氧气和氩气的比例可为1:19～1:4。溅射功率可为100～200W，电压可为350～400V。
溅射一定时间后，将基底从腔室中取出，即可获得镀制的黑色二氧化钛薄膜，厚度与溅射时间成近线性正相关。
本发明的黑色薄膜在吸光率提升较多，吸光率和他们所表征的吸光系数不一样，是通过测试透过率和反射率之后，根据公式A＝100％-T–R计算得到，其中A为吸收率，T为透过率，R为反射率。制备的黑色TiO2薄膜在紫外可见波段具有高吸收率，最高光吸收率达93％，具有明显的光热效应，即具有较高的光热转化能力。本发明制备的黑色TiO2薄膜具有较好的光催化性能。
本发明中，所用的钛靶易得，而且直流磁控溅射成本低廉，可实现大面积工业化生产，在光催化及光热转化方面具有较高的实用价值。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
实施例1
第一步：基片清洗及钛靶的预溅射处理。
将所需的基片分别用去离子水、酒精、丙酮进行超声清洗20min，将样品用无尘布擦干之后进行射频等离子体清洗；然后将钛靶在0.5Pa的氩气气氛中100W下预溅射20min，保证靶材表面的氧化钛层被去除。
第二步：反应溅射功率及溅射氧分压调整。
将镀膜腔室的空气压强抽真空低至10-5Pa，调整溅射模式为直流模式，溅射功率设置为150W，控制氧气流量为5.4sccm，氩气流量为34.6sccm(工作总压力为0.5Pa)。随后根据电压的变化，当电压上升减小氧流量，电压降低提升氧流量，流量每次调整量为0.2sccm。随后经过1小时的反应溅射得到黑色二氧化钛薄膜。
图2中“90％的样品”为实施例1所得的黑色二氧化钛薄膜。
图3是黑色二氧化钛薄膜的光吸收率曲线。对其光学反射率和透过率进行测试，通过吸收率＝100％-反射率-透过率计算得到图3中13.5％氧气红色线条，在250～800nm波段下，薄膜的光学吸收率在92％到86％范围内变动。
本实施例1中黑色二氧化钛薄膜的的表面形貌如图4中“90％的样品”所示，呈现疏松的颗粒堆积状，颗粒具有一定的几何形状，颗粒之间存在着不少孔隙。
对薄膜进行X射线衍射测试，发现主要的结晶成分包含Ti2O3和Ti3O5，未能检测到结晶的二氧化钛相特征峰，仅存在非晶TiO2。
对薄膜进行X射线光电子能谱测试，薄膜中的钛元素主要以+4价存在，即为TiO2。
通过300W氙灯照射模拟太阳光，配制10-5mol/L的RhB溶液，将镀有薄膜的玻璃片放置于光催化反应容器中，在容器中加入40ml的RhB溶液，进行光催化降解RhB实验，2.5h后降解率达到74％。在该实验中，本实施例还设置了未镀膜基片的对照组。将本实施例1与未镀膜基片的对照组和实施例2进行对比，可以得知薄膜的光吸收明显加强了薄膜光降解罗丹明B的效果。
实施例2
第一步：基片清洗及靶材预溅射处理。
将所需的基片分别用去离子水、酒精、丙酮进行超声清洗20min，将样品用无尘布擦干之后进行射频等离子体清洗；然后将靶材在0.5Pa的氩气气氛中100W下预溅射20min，保证靶材表面的氧化层被去除。
第二步：反应溅射功率及溅射氧分压调整。
将镀膜腔室的空气压强抽真空低至10-5Pa，调整溅射模式为直流模式，溅射功率设置为150W，控制氧气流量为5.2sccm，氩气流量为34.8sccm(工作总压力为0.5Pa)。随后根据电压的变化，当电压上升减小氧流量，电压降低提升氧流量，流量每次调整量为0.2sccm。随后经过1小时的反应溅射得到黑色二氧化钛薄膜。
图2中“80％的样品”即为实施例2所得的黑色二氧化钛薄膜。
图3是薄膜的光吸收率曲线。对其光学反射率和透过率进行测试，通过吸收率＝100％-反射率-透过率计算得到图3中13％氧气下制备的吸收率曲线，在250～800nm波段下，薄膜的光学吸收率在85％到80％范围内变动。
薄膜的微观形貌如图4中“80％”所示呈明显的团簇状，存在一些孔隙结构。对比实施例1，其表面的团簇也出现一些多面体轮廓，但其棱角相对不是很明显，且其孔隙尺寸相对较小，更加致密一些。
对薄膜进行X射线衍射测试，发现主要的结晶成分包含Ti2O3和Ti3O5，未能检测到结晶的二氧化钛相特征峰，仅存在非晶TiO2。
对薄膜进行X射线光电子能谱测试，薄膜中的钛元素主要以+4价存在，即为TiO2。
通过300W氙灯照射模拟太阳光，进行光催化降解RhB实验，配制10-5mol/L的RhB溶液，将镀有薄膜的玻璃片放置于光催化反应容器中，在容器中加入40ml的RhB溶液，进行光催化降解RhB实验，2.5h后降解率达到53％。在该实验中，本实施例还设置了未镀膜基片的对照组。与未镀膜基片和实施例1进行对比，本实施例2的降解速率要低于实施例1，但高于未镀膜基片的对照组，可以得知薄膜的光吸收明显加强了薄膜光降解罗丹明B的效果。
实施例3
第一步：基片清洗及靶材预溅射处理。
将所需的基片分别用去离子水、酒精、丙酮进行超声清洗20min，将样品用无尘布擦干之后进行射频等离子体清洗；然后将靶材在0.5Pa的氩气气氛中100W下预溅射20min，保证靶材表面的氧化层被去除。
第二步：反应溅射功率及溅射氧分压调整。
将镀膜腔室的空气压强抽真空低至10-5Pa，调整溅射模式为直流模式，溅射功率设置为150W，控制氧气流量为3.4sccm，氩气流量为36.6sccm(工作总压力为0.5Pa)。随后根据电压的变化，当电压上升减小氧流量，电压降低提升氧流量，流量每次调整量为0.2sccm。随后经过1小时的反应溅射得到黑色二氧化钛薄膜。
图2中“67％的样品”即为实施例2所得的黑色二氧化钛薄膜。
图3是薄膜的光吸收率曲线。对其光学反射率和透过率进行测试，通过吸收率＝100％-反射率-透过率计算得到图3中8.5％氧气下制备的吸收率曲线，在250～800nm波段下，薄膜的光学吸收率在75％到60％范围内变动。
薄膜的微观形貌如图4左边所示呈明显的团簇状，存在一些孔隙，对比实施例1和2，其表面的团簇无明显棱角，且其孔隙尺寸相对较小，在三组实施例中具有最光滑的表面形貌。
对薄膜进行X射线衍射测试，发现主要的结晶成分包含Ti2O3和Ti3O5，其中的亚氧化物的峰强相比实施1有所降低，未能检测到结晶的二氧化钛相特征峰，仅存在非晶TiO2。
对薄膜进行X射线光电子能谱测试，薄膜中的钛元素主要以+4价存在，即为TiO2。
通过300W氙灯照射模拟太阳光，进行光催化降解RhB实验，配制10-5mol/L的RhB溶液，将镀有薄膜的玻璃片放置于光催化反应容器中，在容器中加入40ml的RhB溶液，进行光催化降解RhB实验，2.5h后降解率达到32％。这是由于薄膜的吸收率较低，对光的利用率较低导致其光催化效率较低。
实施例4
本实施例4中黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法参照实施例1，区别在于：控制氧气流量为4sccm，氩气流量为26sccm(工作总压力为0.5Pa)。
实施例5
本实施例5中黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法参照实施例1，区别在于：控制氧气流量为6.8sccm，氩气流量为43.2sccm(工作总压力为0.5Pa)。
实施例6
本实施例6中黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法参照实施例1，区别在于：随后根据电压的变化，当电压上升减小氧流量，电压降低提升氧流量，流量每次调整量为0.4sccm。随后经过1小时的反应溅射得到黑色二氧化钛薄膜。
实施例7
本实施例7中黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法参照实施例1，区别在于：随后根据电压的变化，当电压上升减小氧流量，电压降低提升氧流量，流量每次调整量为0.8sccm。随后经过1小时的反应溅射得到黑色二氧化钛薄膜。
对比例1
本对比例1中黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法参照实施例1，区别在于：总气氛流量为25sccm，氧气流量为3.8sccm，氩气流量为21.2sccm，(工作总压力为0.5Pa)。
对比例2
本对比例2中黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法参照实施例1，区别在于：总气氛流量为60sccm，氧气流量为8.1sccm，氩气流量为51.9sccm，(工作总压力为0.5Pa)。
对比例3
本对比例3中黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法参照实施例1，区别在于：氧气流量每次调整量为0sccm。
对比例4
本对比例4中黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法参照实施例1，区别在于：氧气流量每次调整量为2sccm。
对比例5
本对比例5中黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法参照实施例1，区别在于：直流功率为300W。
表1为本发明制备的黑色二氧化钛光催化薄膜的制备参数及其性能：
Figure BDA0002905046320000081
Figure BDA0002905046320000091

Claims (10)

1.一种黑色二氧化钛光催化薄膜的制备方法，其特征在于，采用直流磁控溅射法在基底制备黑色二氧化钛光催化薄膜；
所述直流磁控溅射法包括：本底真空为10-5～10-3Pa、直流溅射功率100～200W、溅射电压350～400V；溅射气氛为氧气和氩气的混合气；工作压力为0.1～1Pa。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合气气体的总流量为30～50sccm；优选地，所述氧气和氩气的流量比为1:19～1:4，更优选地，所述氧气和氩气的流量比为1:7～1:6.5。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在溅射功率不变前提下，通过微调混合气中氧气流量大小来实现溅射电压的调控；优选地，当溅射电压升高时减少氧气流量，当溅射电压降低时增加氧气流量；更优选地，每次微调时，混合气中氧气流量的增多或减少的幅度小于1sccm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述基底为玻璃、石英、单晶硅片中的一种。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述钛靶的纯度≥99.99%；所述钛靶的直径为100～101.6mm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，制备黑色二氧化钛光催化薄膜所需的溅射时间≥10min。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，采用直流磁控溅射法对钛靶进行预溅射以去除钛靶表面的氧化钛层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述预溅射的参数包括：直流电源功率100～200W，工作气氛为氩气，工作压力为0.1～1Pa，预溅射时间10～20分钟。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备的黑色二氧化钛光催化薄膜，其特征在于，所述黑色二氧化钛光催化薄膜的相组成包含非晶TiO2、结晶相Ti2O3和结晶相Ti3O5；优选地，所述黑色二氧化钛光催化薄膜的厚度为100nm～5μm；所述黑色二氧化钛光催化薄膜在350～800nm波段下，光学吸收率在60%～93%之间。
10.一种权利要求9所述的黑色二氧化钛光催化薄膜在光催化领域和光热转化领域中的应用。
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