一种W掺杂Bi2O3纳米结构的制备方法与流程

本发明属于光催化材料的制备技术领域。

背景技术

近年来，在光催化领域，光催化剂在水解以及污染物的降解方面表现出其光辉的前景，然而光催化剂的发展却遇到了一系列问题，如量子效率低、光生电子空穴对复合率高等。基于以上原因，提高催化剂性能需要采用提高催化反应面积的方式。通过采用磁控溅射制备特殊的纳米结构的方法可大幅提高催化反应面积，从而提高其反应效率，提升反应性能。本发明采用磁控溅射方法，制备工艺简单，将w掺杂入bi2o3，可制备出复杂的纳米结构，表面积获得大幅提升，具有很好的光催化性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种w掺杂bi2o3纳米结构的制备方法，它能有效的制备出具有纳米形貌且催化性能很好的复合材料。

发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明采用磁控溅射法，主要分为基底清洗、安装靶材和样品、抽真空、磁控溅射、烧结成相五个过程。首先将石英玻璃切成若干面积相同小片，在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别用超声清洗，干燥。将样品放置在磁控溅射仪内样品台，安装好w和bi2o3靶材，抽真空然后通入一定量氩气形成氛围。开启直流溅射和交流溅射开关和转动开关，溅射半个小时，然后放气，打开腔门。最后在干燥箱中退火1个小时，获得具有三维纳米结构的样品。

具体制备方法包括如下步骤：一种w掺杂bi2o3纳米结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤a、将石英玻璃切割成面积大小一致的小片，然后依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中采用超声波各清洗5分钟，作为基片，干燥备用；

步骤b、将步骤a得到的石英玻璃基片固定在磁控溅射仪的可旋转样品台上，使基片平面与水平面成5°～10°夹角；将w靶和bi2o3靶安装在磁控溅射仪腔内，bi2o3靶法线与基片法线成80°～90°，靶间距为6～7cm，w靶法线与基片法线夹角40°～55°靶间距为10-11cm，关闭腔门；

步骤c、使用机械泵和分子泵对磁控溅射仪抽真空，使工作腔内的真空度达到5×10^-4pa以下，再向工作腔内充入氩气，将工作腔内气压升到0.2-0.5pa，形成氩气氛围；

步骤d、在步骤c所述的条件下，先后打开样品台转动开关和溅射开关，w靶直流溅射，bi2o3靶交流溅射，同时溅射30分钟，然后打开放气阀，开门并将样品取出；

步骤e、将步骤d得到的基片样品放于干燥箱中500℃退火1小时，结晶，即得到具有三维纳米结构的w掺杂bi2o3纳米结构阵列。

步骤b中所述的bi2o3靶安装角度为85°，w靶为45°。

步骤d中所述的w靶直流溅射的溅射电流在0.05～0.2a之间，bi2o3靶交流溅射的功率在200w。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明成本低，制备步骤简单，工艺重复性高，不污染环境。可以提供一种很好的制备w掺杂bi2o3催化性能优良的复合纳米结构。可以提供制造出具有异质结的三维复合纳米结构，显著提高了反应表面积，可以制造出不同掺杂比的复合材料。不同掺杂比样品的形貌略有差别，但都具有三维纳米结构，其催化性能各有差别，提供了探索不同掺杂比材料催化性能方法。本发明制备出的样品具有三维纳米形貌，可有效提高该材料的催化性能。

附图说明

图1是本发明实施例四的10000倍扫描电子显微镜(sem)照片。

图2是本发明实施例五的10000倍扫描电子显微镜(sem)照片。

图3是本发明实施例六的10000倍扫描电子显微镜(sem)照片。

图4是本发明实施例七的10000倍扫描电子显微镜(sem)照片。

图5是本发明实施例八的10000倍扫描电子显微镜(sem)照片。

图6是本发明实施例一到八的降解亚甲基蓝溶液催化效果对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本明作一进步的描述。

实施例一

本发明的具体实施方式是：

步骤一、将石英玻璃切割成大小一致的小片，然后依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中采用超声波各清洗5分钟，作为基片，干燥备用。

步骤二、将步骤a得到的石英玻璃基片固定在磁控溅射仪的可旋转样品台上，将w靶和bi2o3靶安装在磁控溅射仪上，使基片平面与水平面成10°夹角，bi2o3靶法线与基片法线成80°，靶间距为6～7cm，w靶法线与基片法线夹角55°靶间距为10cm，关闭腔门。

步骤三、使用机械泵对磁控溅射仪抽真空，使工作腔内的真空度达到5×10^-4pa以下，再向工作腔内充入氩气，将工作腔内气压升到0.2pa，形成氩气氛围。

步骤四、在步骤c所述的条件下，先后打开样品台转动开关和溅射开关，w靶直流溅射，bi2o3靶交流溅射，同时溅射30分钟，然后打开放气阀，将样品取出；两个靶的功率或者电流可以调整，时间到，关闭溅射，关闭转动，打开放气阀，将样品取出，为维护磁控溅射仪，再次抽真空。

步骤五、将步骤d得到的基片样品放于干燥箱中500℃退火1小时，结晶，即得到具有三维纳米结构的w掺杂bi2o3纳米结构阵列。

实施例二

本发明的具体实施方式是：

步骤一、将石英玻璃切割成大小一致的小片，然后依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中采用超声波各清洗5分钟，干燥备用。

步骤二、将步骤a得到的石英玻璃基片固定在磁控溅射仪的可旋转样品台上，将w靶和bi2o3靶安装在磁控溅射仪上，使基片平面与水平面成0°夹角，bi2o3靶法线与基片法线成90°，靶间距为6cm，w靶法线与基片法线夹角50°靶间距为10cm，关闭腔门。

步骤三、使用机械泵抽真空，使真空达到10pa以下，打开分子泵，使真空达到5×10^-4pa以下，充入氩气，将气压升到0.3pa，形成氩气氛围。

步骤四、在步骤三制造的条件下，打开样品台转动开关，打开w靶直流溅射，电流为0.05a，bi2o3交流溅射，功率为200w。两个靶的功率或者电流可以调整，同时溅射30分钟。时间到，关闭溅射，关闭转动，打开放气阀，将样品取出，为维护磁控溅射仪，再次抽真空。

步骤五、将步骤四中样品放于干燥箱中500℃退火1小时，结晶，即得到具有三维纳米结构的w掺杂bi2o3纳米结构阵列。

实施例三

本发明的具体实施方式是：

步骤一、将石英玻璃切割成大小一致的小片，然后依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中采用超声波各清洗5分钟，干燥备用。

步骤二、将步骤a得到的石英玻璃基片固定在磁控溅射仪的可旋转样品台上，将w靶和bi2o3靶安装在磁控溅射仪上，使基片平面与水平面成5°夹角，bi2o3靶法线与基片法线成85°，靶间距为6cm，w靶法线与基片法线夹角55°靶间距为11cm，关闭腔门。

步骤三、使用机械泵抽真空，使真空达到10pa以下，打开分子泵，使真空达到5×10^-4pa以下，充入氩气，将气压升到0.5pa，形成氩气氛围。

步骤四、在步骤三制造的条件下，打开样品台转动开关，打开w靶直流溅射，电流为0.08a，bi2o3交流溅射，功率为200w。两个靶的功率或者电流可以调整，同时溅射30分钟。时间到，关闭溅射，关闭转动，打开放气阀，将样品取出，为维护磁控溅射仪，再次抽真空。

步骤五、将步骤四中样品放于干燥箱中500℃退火1小时，结晶，即得到具有三维纳米结构的w掺杂bi2o3纳米结构阵列。

实施例四

本发明的具体实施方式是：

步骤一、将石英玻璃切割成大小一致的小片，然后依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中采用超声波各清洗5分钟，干燥备用。

步骤二、将步骤a得到的石英玻璃基片固定在磁控溅射仪的可旋转样品台上，将w靶和bi2o3靶安装在磁控溅射仪上，使基片平面与水平面成5°夹角，bi2o3靶法线与基片法线成85°，靶间距为7cm，w靶法线与基片法线夹角45°靶间距为10cm，关闭腔门。

步骤三、使用机械泵抽真空，使真空达到10pa以下，打开分子泵，使真空达到5×10^-4pa以下，充入氩气，将气压升到0.2pa，形成氩气氛围。

步骤四、在步骤三制造的条件下，打开样品台转动开关，打开w靶直流溅射，电流为0.10a，bi2o3交流溅射，功率为200w。两个靶的功率或者电流可以调整，同时溅射30分钟。时间到，关闭溅射，关闭转动，打开放气阀，将样品取出，为维护磁控溅射仪，再次抽真空。

步骤五、将步骤四中样品放于干燥箱中500℃退火1小时，结晶，即得到具有三维纳米结构的w掺杂bi2o3纳米结构阵列。

实施例五

本发明的具体实施方式是：

步骤一、将石英玻璃切割成大小一致的小片，然后依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中采用超声波各清洗5分钟，干燥备用。

步骤二、将步骤a得到的石英玻璃基片固定在磁控溅射仪的可旋转样品台上，将w靶和bi2o3靶安装在磁控溅射仪上，使基片平面与水平面成5°夹角，bi2o3靶法线与基片法线成85°，靶间距为6cm，w靶法线与基片法线夹角50°靶间距为10cm，关闭腔门。

步骤三、使用机械泵抽真空，使真空达到10pa以下，打开分子泵，使真空达到5×10(-4)pa以下，充入氩气，将气压升到0.3pa，形成氩气氛围。

步骤四、在步骤三制造的条件下，打开样品台转动开关，打开w靶直流溅射，电流为0.12a，bi2o3交流溅射，功率为200w。两个靶的功率或者电流可以调整，同时溅射30分钟。时间到，关闭溅射，关闭转动，打开放气阀，将样品取出，为维护磁控溅射仪，再次抽真空。

步骤五、将步骤四中样品放于干燥箱中500℃退火1小时，结晶，即得到具有三维纳米结构的w掺杂bi2o3纳米结构阵列。

实施例六

本发明的具体实施方式是：

步骤一、将石英玻璃切割成大小一致的小片，然后依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中采用超声波各清洗5分钟，干燥备用。

步骤二、将步骤a得到的石英玻璃基片固定在磁控溅射仪的可旋转样品台上，将w靶和bi2o3靶安装在磁控溅射仪上，使基片平面与水平面成5°夹角，bi2o3靶法线与基片法线成85°，靶间距为6m，w靶法线与基片法线夹角45°靶间距为10cm，关闭腔门。

步骤三、使用机械泵抽真空，使真空达到10pa以下，打开分子泵，使真空达到5×10^-4pa以下，充入氩气，将气压升到0.2pa，形成氩气氛围。

步骤四、在步骤三制造的条件下，打开样品台转动开关，打开w靶直流溅射，电流为0.14a，bi2o3交流溅射，功率为200w。两个靶的功率或者电流可以调整，同时溅射30分钟。时间到，关闭溅射，关闭转动，打开放气阀，将样品取出，为维护磁控溅射仪，再次抽真空。

步骤五、将步骤四中样品放于干燥箱中500℃退火1小时，结晶，即得到具有三维纳米结构的w掺杂bi2o3纳米结构阵列。

实施例七

本发明的具体实施方式是：

步骤一、将石英玻璃切割成大小一致的小片，然后依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中采用超声波各清洗5分钟，干燥备用。

步骤二、将步骤a得到的石英玻璃基片固定在磁控溅射仪的可旋转样品台上，将w靶和bi2o3靶安装在磁控溅射仪上，使基片平面与水平面成010°夹角，bi2o3靶法线与基片法线成80°，靶间距为7cm，w靶法线与基片法线夹角45°靶间距为11cm，关闭腔门。

步骤三、使用机械泵抽真空，使真空达到10pa以下，打开分子泵，使真空达到5×10^-4pa以下，充入氩气，将气压升到0.2pa，形成氩气氛围。

步骤四、在步骤三制造的条件下，打开样品台转动开关，打开w靶直流溅射，电流为0.16a，bi2o3交流溅射，功率为200w。两个靶的功率或者电流可以调整，同时溅射30分钟。时间到，关闭溅射，关闭转动，打开放气阀，将样品取出，为维护磁控溅射仪，再次抽真空。

步骤五、将步骤四中样品放于干燥箱中500℃退火1小时，结晶，即得到具有三维纳米结构的w掺杂bi2o3纳米结构阵列。

实施例八

本发明的具体实施方式是：

步骤一、将石英玻璃切割成大小一致的小片，然后依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中采用超声波各清洗5分钟，干燥备用。

步骤二、将步骤a得到的石英玻璃基片固定在磁控溅射仪的可旋转样品台上，将w靶和bi2o3靶安装在磁控溅射仪上，使基片平面与水平面成10°夹角，bi2o3靶法线与基片法线成80°，靶间距为7cm，w靶法线与基片法线夹角45°靶间距为10cm，关闭腔门。

步骤三、使用机械泵抽真空，使真空达到10pa以下，打开分子泵，使真空达到5×10^-4pa以下，充入氩气，将气压升到0.2pa，形成氩气氛围。

步骤四、在步骤三制造的条件下，打开样品台转动开关，打开w靶直流溅射，电流为0.18a，bi2o3交流溅射，功率为200w。两个靶的功率或者电流可以调整，同时溅射30分钟。时间到，关闭溅射，关闭转动，打开放气阀，将样品取出，为维护磁控溅射仪，再次抽真空。

步骤五、将步骤四中样品放于干燥箱中500℃退火1小时，结晶，即得到具有三维纳米结构的w掺杂bi2o3纳米结构阵列。

光催化材料测试：

在pxc50a型多通道光催化反应系统中进行光降解，使用uv-6300型紫外可见光光度计进行吸收光谱实验，对催化效果表征。制备3*10(-4)mol/l的亚甲基蓝溶液，待用。将制备出的相同面积的石英玻璃小片样品按编号分别放在八个小玻璃瓶中，薄膜面朝下(开光时对着光源)，再用胶头滴管分别取相同量亚甲基蓝溶液置于小玻璃瓶中，再将玻璃瓶放在多通道光催化反应仪中，不打开光源，开始计时，并即刻取初始液体在光度计中测试紫外可见光吸收曲线。在20min，40min，60min时，用胶头滴管分别取少量反应液于光度计中测试吸收曲线。在60min时打开光源，光源电流为0.5a，打开转动1转/1秒，此刻开始每30min取样一次测试，直到240min。以上光度计扫描波长为400-800nm。在0.5a光照电流下的定时取样测试吸收曲线，并整理数据后的曲线图，可发现在制备条件0.1a的w的溅射电流下，其催化性能最佳。