专利名称：一种高效氮掺杂钛酸锶光催化剂的制备方法
一种高效氮掺杂钛酸锶光催化剂的制备方法技术领域
本发明属于可见光催化技术领域，具体涉及一种氮掺杂钛酸锶光催化剂的制备方法。
背景技术：
钛酸锶(SrTiO3)是一种优良的氧化物半导体光催化剂，由于它的宽禁带，SrTiO3 只对能量高于3. 2eV的紫外光响应，而紫外光只占到达地球的太阳光谱中的一小部分(不足10%)，这使它在环境和能源领域的实际应用受到局限。掺杂非金属元素(如N)可以在价带上方引入掺杂能级，使SrTiO3的带隙变窄，进而能够利用光谱中能量比3. 2eV小的一部分可见光。另一方面氧化物半导体光催化剂(如SrTi03、Ti02)虽然是优良的光催化剂，但它们的光催化效率还不够高，提高它们的光催化效率也是光催化工作的主要任务之一。某些表面结构缺陷(如氧空位、台阶等)被认为可以增强钛酸锶表面的水等小分子的解离吸附， 进而增强光催化。发明内容
本发明的目的在于提出一种高效氮掺杂钛酸锶光催化剂的制备方法。
本发明提出的高效氮掺杂钛酸锶光催化剂的制备方法，是基于氮元素和表面结构缺陷的共掺杂实现的，前者扩展氧化物催化剂可利用光谱的范围，后者充当额外的解离吸附位。即本发明使用低能氮离子轰击钛酸锶晶片表面同时辅以高温加热，获得有效替位氮掺杂的同时也引入一些有利的表面结构缺陷。具体步骤如下1、将钛酸锶晶片(SrTiO3(100))用丙酮清洗，吹干，然后将钛酸锶晶片固定在不锈钢样品架上，其背面和样品架接触良好，以便于导电导热；2、钛酸锶晶片样品放好后，将真空室抽真空，待真空室真空度优于2X10_6 Pa时，通入高纯(99. 999%)氮气，使气压维持在1. 5—2X 1(Γ2 Pa ；3、使用背置热电子束，将钛酸锶晶片样品加热到900-1050K ；4、同时,开启Kaufmann离子枪,轰击钛酸银晶片样品,氮离子轰击参数是离子动能为1. 5KeV，离子剂量为1-6 X 1018，束流密度为1000 μ A/cm2，轰击时间为3-18 min ；5、关闭离子枪，停止加热，取样。
本发明方法可以用于制备高效氮掺杂钛酸锶光催化剂，具有重要的科学意义，也有在环境和能源领域上广泛的应用前景。
图1是本发明的样品制备装置图。
图2是光催化的装置图。
图3是可见和紫外光催化的一个实验结果。曲线I表示没有加载任何样品的情况， 曲线II表示加载纯的未处理的SrTiO3的情况，曲线III表示加载氮离子轰击的SrTiO3的情况。
图4是氮离子轰击前后SrTiO3的紫外可见吸收谱。
图5是氮离子轰击后SrTiO3的N Is电子能谱。
图6是氮离子轰击后(左)以及纯的(右)SrTiO3与水的接触角(a)侧视图，(b)俯视图。
图7是氮离子轰击后SrTiO3的X-TEM图(a)为低倍放大图，(b)为高倍放大图。 1-4分别表示体晶格区、应力区、离子调制区和胶。
具体实施方式
下面结合附图和实例具体描述本发明。
I、钛酸锶晶片(SrTiO3 (100))丙酮清洗15分钟，吹干，固定在不锈钢样品架上。
2、进样后待真空室真空度优于2 X Kr6 Pa时，通入高纯(99. 999%)氮气，使气压维持在1. 5Χ1(Γ2 Pa。
3、使用背置热电子束使样品加热到1000 K。
4、开启五厘米Kaufmann离子枪,轰击15 min,束流密度为1000 μΑ/cm2。
5、关闭离子枪，停止加热。取样。
我们通过追踪加载不同催化剂的MB的668nm峰值吸收度随光照时间的变化来表征光催化剂的活性，采用如图2所示的催化装置，可见光和紫外光催化的一个实验结果如图3所示，纵轴表示加载不同样品的亚甲基蓝(MB)在3 (a)可见光和3 (b)紫外光照射一定 时间后的668nm峰值吸收度，横轴表示波长。分别使用汞灯405和365 nm的谱线作为光催化表征的可见光和紫外光光源。图3 (a)曲线II和曲线I几乎重合，说明可见光照下MB 没有被SrTiO3分解；曲线III和曲线I比较可见氮离子轰击后的样品可以持续地快速分解 MB,在我们的实验条件下8小时光照后约72%的MB被催化分解。这一可见光催化活性源于替代位的氮元素掺杂导致的带隙变窄。图3 (b)中曲线I也随时间有明显的降低，说明单纯的MB在紫外光下也可以被分解，比较曲线II和I发现纯的钛酸锶也有可观的紫外光催化，这是显然的，而比较III和II可以发现氮离子轰击后的样品比纯的钛酸锶紫外光催化显著增强，比如分解75%的MB前者需要约3小时，而后者需要约两倍的时间。这是因为离子轰击在表面区产生一些有利的辐射致结构缺陷(如氧空位、台阶等)，这些缺陷充当了额外的解离吸附位。
为了进一步了解催化剂的物理化学性质，我们进行了紫外可见吸收谱、X光电子能谱(XPS)、接触角和截面透射电镜(X-TEM)的分析。紫外可见吸收谱(图4)显示氮离子轰击后样品(曲线I)存在一个从紫外区延伸到约600nm的吸收结构，和纯钛酸锶(曲线2)相比可以发现氮离子轰击后钛酸锶的带隙变窄了。氮离子轰击后钛酸锶的XPS N Is谱(图5)显示氮轰击有效引入了替位氮掺杂(396.1 eV)，397. 7eV处的信号归因于间隙位的氮，即N-O形式结合的氮元素。根据拟合的峰面积计算，它们的面积比为6:1，在取样深度总的氮掺杂浓度为20 atm%。接触角分析(图6)显示氮离子轰击后钛酸锶(左)的接触角比未处理的样品 (右)显著减小，前者约为15°，后者约为40°，这表明前者比后者具有更好的亲水性，这源于离子辐射产生的表面结构缺陷(如氧空位、台阶等)。氮离子轰击样品的X-TEM图像(图7)显示表面区约7 nm的区域为离子调制层。调整区晶格排列有一定的规则性，但不如内部的体晶格排列规则，说明 离子调制区有一些结构缺陷，这些缺陷可能充当光生载流子的捕获陷阱， 起到阻止它们快速复合的作用。
权利要求
1. 一种高效氮掺杂钛酸锶光催化剂的制备方法，其特征在于使用低能氮离子轰击钛酸锶晶片表面同时辅以高温加热，获得有效替位氮掺杂的同时也引入ー些有利的表面结构缺陷，具体步骤如下 (1)将钛酸锶晶片用丙酮清洗，吹干，然后将钛酸锶晶片固定在不锈钢样品架上，其背面和样品架接触良好，以便于导电导热； (2)钛酸锶晶片样品放好后，将真空室抽真空，待真空室真空度优于2X10_6 Pa时，通入高纯氮气，使气压维持在I. 5—2X 10_2 Pa ； (3)使用背置热电子束，将钛酸锶晶片样品加热到900-1050K ； (4)开启Kaufmann离子枪,轰击钛酸银晶片样品，轰击3_18min,束流密度为1000μ A/cm2 ； (5)关闭离子枪，停止加热，取出样品。
全文摘要
本发明属于可见光催化技术领域，具体为一种高效氮掺杂钛酸锶光催化剂的制备方法。本发明采用低能氮离子束轰击钛酸锶晶片同时辅以高温加热，这种方法既可以有效的替位掺杂氮元素，同时在表面区域引入一些有利的结构缺陷。本发明方法制备的钛酸锶既有可观的可见光催化，也有增强的紫外光催化。本发明方法在环境和能源领域具有广泛应用前景。
文档编号B01J37/34GK102974378SQ201210404958
公开日2013年3月20日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者孙涛, 代忠红, 陆明 申请人:复旦大学