一种表面等离激元增强型钛酸锶光催化剂的制备方法与流程

本发明属于光催化技术领域，具体涉及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。

表面等离子体共振（surfaceplasmonresonance，spr），又称表面等离激元共振，是一种物理光学现象，有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生物学研究的重要工具。通过构造一个由金属纳米颗粒组成的表面，实现局域场的表面等离子共振，入射到介质表面的消逝波和金属（纳米颗粒）等离子体的本征波矢极易匹配，从而达成共振，于特定的波长处光吸收大大增强。表面等离子体共振的现象理早在1902年便由wood在实验室观察到，但是很长一段时间内，该现象都没有能被很好地利用起来，最著名的利用当属上世纪七八十年代的表面增强拉曼散射（sers）。近年来，spr效应逐渐又开始显现出崭新的活力，尤其是在提升光催化效率等领域中有重大作用，被认为是一种极具发展潜力的技术。

但是spr效应只存在于金、银等少数贵金属材料在颗粒尺寸达到50nm以下时才会出现，如何在催化剂材料（如氧化钛、钛酸锶等）表面实现尺寸在50nm以下的贵金属纳米颗粒，是一个非常有挑战性的工艺和物理问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种光电响应和光催化效率高的表面等离激元增强型钛酸锶光催化剂的制备方法。

由于能产生spr现象的介质面被限定为有负且低介电系数的贵金属，如金、银，或铝等非贵金属。因而制备方法往往比较困难，典型的制备这些金属纳米颗粒的方法如物理法的高能离子注入需要特殊的仪器，有较大的实现难度。本发明使用湿化学法在光催化剂材料钛酸锶（srtio3）表面制备agno3薄膜，在退火条件下形成金属ag纳米颗粒（直径<50nm），可以有效捕获共振波长在可见光波段（400-700nm范围）的太阳光，产生光生电子空穴对，从而提升钛酸锶光催化剂的光电响应和光催化效率。其制备的具体步骤如下：

（1）选取两面抛光的、(100)晶相的钛酸锶（srtio3）为衬底；

（2）将衬底浸没于质量比5%-10%乙醇溶液中，20℃-30℃下超声处理20-60分钟，去除表面的氧化层；

该步骤中，超声功率30-50w，超声频率30-40khz；

（3）用去离子水将其表面冲洗干净，用氮气枪吹干；

该步骤中，氮气枪头一般不选择金属材质的，防止金属离子或金属原子滞留于硅衬底表面，影响少子器件性能；

（4）将衬底浸没于质量比为1%的硝酸银（agno3）溶液中，20℃-30℃下超声处理20-60分钟；

该步骤中，超声功率30-50w，超声频率30-40khz。拿出之后自然晾干；

（5）取出浸没在硝酸银溶液中的钛酸锶，在氮气环境中300℃-400℃条件下退火10-30分钟。

该步骤中，将衬底放置于退火炉中，通高纯氮气（控制氮气流量为50-200ml/min），退火温度为300℃-400℃，退火时间10-30分钟。

本方法中，使用的设备包括，超净工作台，管式退火炉，超声清洗机，电子天平，塑料氮气枪等。

本发明方法可以用于制备高效等离激元增强型钛酸锶光催化剂，具有重要的科学意义，在环境和能源领域上有广泛的应用前景。

附图说明

图1为催化剂结构图。

图2为afm表面形貌图。

图3为吸收谱。

图4为可见光催化的一个实验结果，435nm可见光光照下5小时催化剂分解mb（亚甲基蓝）溶液的效率对比。

图5为光催化装置图。

具体实施方式

以下实施例用以说明本发明，但不用于限制本发明。

1、原料和配方

衬底：两面抛光的、(100)晶相的钛酸锶（srtio3）衬底，体积为5×5×0.5mm³，中科院上海光机所（siom）提供；

金属表面等离激元材料：agno3粉末，纯度99.999%，中诺新材科技有限公司；10mg的agno3粉末溶于900mg蒸馏水，得到浓度为1%的agno3溶液。

2、生产装置

vd650超净工作台，苏州苏洁净化设备有限公司；

sk2-4-100.00管式退火炉，苏州锐材半导体有限公司；

hh-1超声清洗机，上海声彦超声波仪器有限公司。

实施例1

制备条件：室温，百级净化间；

具体步骤为：

（1）选取两面抛光的、(100)晶相的钛酸锶（srtio3）为衬底；

（2）将衬底浸没于质量比5%-10%乙醇溶液中，20℃下超声处理20分钟，去除表面的氧化层；超声功率30w，超声频率40khz；

（3）用去离子水将其表面冲洗干净，用氮气枪吹干；

（4）将衬底浸没于质量比为1%的硝酸银（agno3）溶液中，20℃下超声处理20分钟；自然晾干，2小时；超声功率30w，超声频率40khz；

（5）取出浸没在硝酸银溶液中的钛酸锶，在氮气环境中300℃条件下退火10分钟，断电后的管内冷却，2小时。

我们通过追踪加载不同催化剂的mb（亚甲基蓝）的吸收度来表征光催化剂的活性，采用如图5所示的催化装置，可见光催化的一个实验结果如图4所示，纵轴表示加载不同样品的亚甲基蓝（mb）在可见光照射一定时间后的吸收谱，横轴表示波长。使用汞灯435nm的谱线作为光催化表征的可见光光源。图4中“mb溶液”和“mb溶液+钛酸锶”曲线几乎重合，说明可见光照下mb没有被srtio3分解，“mb溶液+等离激元增强型钛酸锶”曲线与“mb溶液”曲线比较，可见等离激元增强型钛酸锶样品可以分解mb，这一可见光催化活性源于spr金属等离激元效应。

实施例2

制备条件：室温，百级净化间；

具体步骤为：

（1）选取两面抛光的、(100)晶相的钛酸锶（srtio3）为衬底；

（2）将衬底浸没于质量比5%-10%乙醇溶液中，20℃下超声处理30分钟，去除表面的氧化层；超声功率40w，超声频率30khz；

（3）用去离子水将其表面冲洗干净，用氮气枪吹干；

（4）将衬底浸没于质量比为1%的硝酸银（agno3）溶液中，20℃下超声处理30分钟；自然晾干，2小时；超声功率40w，超声频率40khz；

（5）取出浸没在硝酸银溶液中的钛酸锶，在氮气环境中350℃条件下退火15分钟，断电后的管内冷却，2小时。

实施例3

制备条件：室温，百级净化间；

具体步骤为：

（1）选取两面抛光的、(100)晶相的钛酸锶（srtio3）为衬底；

（2）将衬底浸没于质量比5%-10%乙醇溶液中，20℃下超声处理30分钟，去除表面的氧化层；超声功率50w，超声频率40khz；

（3）用去离子水将其表面冲洗干净，用氮气枪吹干；

（4）将衬底浸没于质量比为1%的硝酸银（agno3）溶液中，20℃下超声处理30分钟；自然晾干，2小时；超声功率50w，超声频率40khz；

（5）取出浸没在硝酸银溶液中的钛酸锶，在氮气环境中350℃条件下退火15分钟，断电后的管内冷却，2小时。

实施例2和实施例3制备得到的材料，同样通过追踪加载不同催化剂的mb（亚甲基蓝）的吸收度来表征光催化剂的活性，其结果与实施例1的结果基本一致。