一种ZnO/Sm2O3复合薄膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于复合薄膜的制备技术领域，特别涉及一种zno/sm2o3复合薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

sm2o3是一种具有4f电子结构的宽禁带金属氧化物，常温下禁带宽度为4-6ev，sm2o3晶体具有三种晶型，当温度高于850℃时，单斜晶相转变为立方晶相，在2000℃左右转变为六方晶相，属于多晶相转化的氧化物。sm2o3具有高的电阻率，高的介电常数，高的化学稳定性和热稳定性等性能，具有优越的电学、光学和磁学性能，广泛应用于陶瓷电容器、汽车尾气处理、催化剂和医学等方面；另外，纳米sm2o3还具有核性质，可用作原子能反应堆的结构材料、屏蔽材料和控制材料等领域。

sm2o3薄膜是新一代的光电薄膜材料，sm2o3薄膜既可用于制备光学开关、数据存储、光电转换元件、电学开关和光催化等，还可用于电子器体、磁性材料及特种玻璃的虑光器中。但随着技术的发展，单一的sm2o3薄膜已经越来越难以满足高速发展的需求。

目前，所报道的制备sm2o3薄膜的方法主要有化学沉积法[gaofq,yangy,wangth.preparationofporoustio2/agheterostructurefilmswithenhancedphotocatalyticactivity[j].chemicalengineeringjournal,2015,270:418-427]、溶剂热辅助水热法[guosb,xiaw,kaiw,rongjg,bohd,lixc,ges,preparationandelectrochromicperformanceofnio/tio2nanorodcompositefilm[j],journalofalloysandcompounds:2017,728：878-886]、溶胶-凝胶法[guoqt,liaons,tingl,chix,huijr,aox.ultrasonicchemicalsynthesisofhybridmpg-c3n4/bipo4heterostructuredphotocatalystswithimprovedvisiblelightphotocatalyticactivity[j].appliedcatalysisb:environmental:2017,207,120–133]、水热法[d.m.fernandes,r.silva,synthesisandcharacterizationofzno,cuoandamixedznandcuoxide[j],materialschemistryandphysics:2009,115(1):110-115]。这些方法制备sm2o3薄膜功能单一，其次，溶胶-凝胶法制备单一的sm2o3薄膜具有较大应力，容易出现微裂纹，效果不能令人满意；水热反应通常需要较高的温度和压力，对设备要求较高，结晶性差，表面不均一，水热处理时间也比较长；化学气相沉积法设备要求较高，原料利用率低，能量较高；溶剂热设备要求较高，反应缓慢，时间长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种zno/sm2o3复合薄膜及其制备方法及和应用，zno/sm2o3复合薄膜具有粒径分布较窄、分散性好、结晶性强、较优的光催化性能及成本较低等特点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种zno/sm2o3复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)将sm源、zn源加入到乙二醇甲醚和醋酸酐的均匀溶液a中，搅拌，形成溶胶c；其中，溶胶c中sm³⁺浓度为0.1～1.0mol/l、zn²⁺的质量分数为sm³⁺质量分数的1％～10％；

2)将溶胶c静置陈化，形成凝胶d；

3)旋涂镀膜：将凝胶d采用旋涂法，涂布在基片上镀膜，制得湿膜；

4)烘烤：将制备的湿膜烘烤，得到干膜；

5)在步骤4)的干膜上，重复若干次旋涂镀膜、烘烤工艺，得到预设厚度的薄膜；

6)将得到预设厚度的薄膜经高温退火后，得到zno/sm2o3复合薄膜。

进一步的，步骤1)中乙二醇甲醚和醋酸酐按照体积比为(2～5):1的比例混合，搅拌制得均匀溶液a。

进一步的，步骤1)中sm源为sm(no)3或分析纯的sm(no)3·6h2o；zn源为zn(no3)2或分析纯的zn(no3)2·6h2o。

进一步的，步骤1)中采用磁力搅拌器搅拌，搅拌时间为1～5h。

进一步的，步骤2)中溶胶c静置陈化温度为室温，静置陈化时间为5～12h。

进一步的，所述步骤3)中采用导电玻璃基片。

进一步的，所述步骤4)中烘烤温度为80～200℃。

进一步的，步骤6)高温退火具体为：450～700℃下高温退火2～10h。

一种zno/sm2o3复合薄膜的制备方法所制备的zno/sm2o3复合薄膜。

一种zno/sm2o3复合薄膜的制备方法所制备的zno/sm2o3复合薄膜在光催化降解有机物中的应用。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用溶胶-凝胶法制备的zno/sm2o3复合薄膜，sm2o3和zno都具有较好的光催化性能，两者复合，产生协同作用，获得了更优的光催化性能；同时解决了粉体催化剂遇水容易团聚，失活而且不易回收，薄膜催化剂遇水不易发生团聚，可负载于不同的载体，而且容易回收避免二次污染。

2、本发明采用溶胶-凝胶法，利用磁力搅拌使反应更充分均匀，制得的zno/sm2o3复合薄膜具有的较好光催化活性、纳米粒径分布较窄、混合均匀、易掺杂、分散性好、纯度高、结晶性强。

3、本发明的制备方法设备要求低，工艺设备简单，成本低廉；操作温度低，能耗小，安全性高，可控性好，非常经济、实用，具有很好的工业化前景，易于实现工业化生产。

附图说明

图1是本发明实施例3所制备zno/sm2o3复合薄膜的xrd图。

图2是本发明实施例3所制备的zno/sm2o3复合薄膜的sem图。

图3是本发明实施例3所制备的zno/sm2o3复合薄膜的光催化降解图。

具体实施方式

实施例1：

1)将乙二醇甲醚和醋酸酐按照体积比为2:1的比例混合，搅拌1h，制得均匀溶液a；

2)将分析纯sm(no)3·6h2o加入到溶液a中，充分搅拌0.1h，制得sm³⁺浓度为0.1mol/l的，制得均匀溶液b；

3)将分析纯zn(no3)2·6h2o加入到均匀溶液b中，使得zn²⁺的质量分数为sm³⁺质量分数的1％，采用磁力搅拌器搅拌1h，形成溶胶c；

4)将溶胶c室温静置陈化8h，形成凝胶d；

5)旋涂镀膜：将凝胶d采用旋涂法，涂布在清洗干净的导电玻璃基片上镀膜，制得湿膜；

6)烘烤：将制备的湿膜在80℃烘烤，得到干膜；

7)在步骤6)的干膜上，重复若干次旋涂镀膜、烘烤工艺，得到预设厚度的薄膜；

8)将得到预设厚度的薄膜置于马弗炉中，在500℃高温退火6h，得到zno/sm2o3复合薄膜。

实施例2：

1)将乙二醇甲醚和醋酸酐按照体积比2.5:1的比例混合搅拌2h，制得均匀溶液a；

2)将分析纯sm(no)3·6h2o加入到溶液a中，充分搅拌0.3h，制得sm³⁺浓度为0.5mol/l的，制得均匀溶液b；

3)将分析纯zn(no3)2·6h2o加入到均匀溶液b中，zn²⁺的质量分数为sm³⁺质量分数的3％，采用磁力搅拌器搅拌2h，形成溶胶c；

4)将溶胶c室温静置陈化10h，形成凝胶d；

5)旋涂镀膜：将凝胶d采用旋涂法，涂布在清洗干净的导电玻璃基片上镀膜，制得湿膜；

6)烘烤：将制备的湿膜在150℃烘烤，得到干膜；

7)在步骤6)的干膜上，重复若干次旋涂镀膜、烘烤工艺，得到预设厚度的薄膜；

8)将得到预设厚度的薄膜置于马弗炉中，在600℃高温退火5h，得到zno/sm2o3复合薄膜。

实施例3：

1)将乙二醇甲醚和醋酸酐按照体积比3:1的比例混合搅拌4h，制得均匀溶液a；

2)将分析纯sm(no)3·6h2o加入到溶液a中，充分搅拌0.3h，制得sm³⁺浓度为0.3mol/l的均匀溶液b；

3)将分析纯zn(no3)2·6h2o加入到均匀溶液b，使得zn²⁺的质量分数为sm³⁺质量分数的6％，采用磁力搅拌器搅拌3.5h，形成溶胶c；

4)将溶胶c室温静置陈化12h，形成凝胶d；

5)旋涂镀膜：将凝胶d采用旋涂法，涂布在清洗干净的导电玻璃基片上镀膜，制得湿膜；

6)烘烤：将制备的湿膜在180℃烘烤，得到干膜；

7)在步骤6)的干膜上，重复若干次旋涂镀膜、烘烤工艺，得到预设厚度的薄膜；

8)将得到预设厚度的薄膜置于马弗炉中，在550℃高温退火6h，得到sm2o3/zno复合薄膜。

实施例4：

1)将乙二醇甲醚和醋酸酐按照体积比5:1的比例混合搅拌5h，制得均匀溶液a；

2)将分析纯sm(no)3·6h2o加入到溶液a中，充分搅拌0.25h，制得sm³⁺浓度为0.6mol/l的均匀溶液b；

3)将分析纯zn(no3)2·6h2o加入到均匀溶液b，zn²⁺的质量分数为sm³⁺质量分数的8％，采用磁力搅拌器搅拌4.5h，形成溶胶c；

4)将溶胶c室温静置陈化5h，形成凝胶d；

5)旋涂镀膜：将凝胶d采用旋涂法，涂布在清洗干净的导电玻璃基片上，制得湿膜；

6)烘烤：将制备的湿膜在160℃烘烤，得到干膜；

7)在步骤6)的干膜上，重复若干次旋涂镀膜、烘烤工艺，得到预设厚度的薄膜；

8)将得到预设厚度的薄膜置于马弗炉中，在650℃高温退火4h，得到sm2o3/zno复合薄膜。

实施例5：

1)将乙二醇甲醚和醋酸酐按照体积比5:1的比例混合搅拌2h，制得均匀溶液a；

2)将sm(no)3加入到溶液a中，充分搅拌0.3h，制得sm³⁺浓度为1.0mol/l的均匀溶液b；

3)将zn(no3)2加入到均匀溶液b，zn²⁺的质量分数为sm³⁺质量分数的10％，采用磁力搅拌器搅拌5h，形成溶胶c；

4)将溶胶c室温静置陈化5h，形成凝胶d；

5)旋涂镀膜：将凝胶d采用旋涂法，涂布在清洗干净的导电玻璃基片上，制得湿膜；

6)烘烤：将制备的湿膜在200℃烘烤，得到干膜；

7)在步骤6)的干膜上，重复若干次旋涂镀膜、烘烤工艺，得到预设厚度的薄膜；

8)将得到预设厚度的薄膜置于马弗炉中，在700℃高温退火2h，得到sm2o3/zno复合薄膜。

实施例6：

将实施例5中步骤7)将得到预设厚度的薄膜置于马弗炉中，在450℃高温退火10h，得到zno/sm2o3复合薄膜。

实施例7～12：

将实施例1～6中步骤1)、步骤2)采用的分析纯sm(no)3·6h2o、分析纯zn(no3)2·6h2o替换为sm(no)3、zn(no3)2。

图1是本发明实施例3所制备的zno/sm2o3复合薄膜的xrd图谱，从图1中可以看出实施例3制备的zno/sm2o3复合薄膜的纯度高，结晶性强；

图2是本发明实施例3制备的zno/sm2o3复合薄膜的sem图，从图2中可以看出实施例3制备的zno/sm2o3复合薄膜纳米粒径分布较窄、混合均匀；

图3是本发明实施例3制备zno/sm2o3复合薄膜的光催化降解图，从图3中可以看出实施例3制备的zno/sm2o3复合薄膜相比单一的sm2o3薄膜具有更优的光催化性能。