专利名称：一种可见光活性的锑掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备方法
技术领域：
本发明属于纳米二氧化钛薄膜制备技术领域，具体涉及一种具有可见光活性的Sb
掺杂的二氧化钛薄膜的制备方法。
背景技术：
从1972年发现半导体二氧化钛在紫外光照射下将水分解成氢和氧气以来，二氧 化钛在材料领域受到了非常广泛的重视。Ti02可用于光催化降解有机物、杀菌消毒、污水 处理、空气净化、氢能制备等多个方面，目前，纳米1102的制备方法研究已成为光催化新材 料开发的一个非常活跃的课题。由于1102的禁带宽度大(3.2eV，锐态矿型，3.0eV，金红石 型)，对可见光的吸收差，极大的限制了其应用范围，通常采用掺杂金属或非金属的方式增 加其可见光活性，目前报道的有非金属如C， N， S等元素的掺杂以及Fe， Cr， Sb和稀土元素 以及其他多种金属元素的掺杂等。 已经报道的Sb掺杂纳米Ti02薄膜的制备方法有许多种，例如溶胶_凝胶方法，在 前驱体中引入SbClJl，2]，或通过反应磁控溅射方法都可以得到Sb掺杂纳米Ti(^薄膜[3， 4]。但这些方法存在一些缺点，如溶胶_凝胶方法涉及较多的化学药品，操作步骤较繁琐、 制备周期长；反应磁控溅射方法涉及的设备昂贵，能耗较高。 本发明提出一种新的方法，通过热处理的方法制备具有可见光活性的Sb掺杂的 Ti(^薄膜，工艺简单，可避免使用昂贵的设备，符合节能减排的原则，为二氧化钛的制备与 应用开辟新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、设备便宜的具有可见光活性的Sb掺杂的 二氧化钛薄膜的制备方法。 本发明提出的制备Sb掺杂的二氧化钛薄膜的方法，所用的原材料为金属钛片或
Ti薄膜，以及Sb203粉末。通过热处理的方法制备Sb掺杂的纳米Ti02薄膜，即在Sb03粉末
存在的情况下，在一定的温度下焙烧氧化金属Ti片或Ti薄膜，得到Sb掺杂的二氧化钛薄
膜。通过控制热处理温度和时间来控制薄膜的厚度以及Sb的掺杂量。 优选地，本发明中制备Sb掺杂的二氧化钛薄膜控制的温度为400-450°C ，焙烧时
间0. 5 1. 5小时。太高的温度或过长的热处理时间将导致Sb的过量掺杂而降低其可见
光活性。 实验表明，由本发明提出的方法制备的Sb掺杂二氧化钛半导体薄膜具有可见光 活性，制备方法简单。并可避免使用昂贵的设备，降低制备成本。 1.在可见光照射下，以本工艺制备的Sb掺杂Ti02薄膜表现出明显的阳极光电流， 焙烧温度为40(TC，焙烧时间为1小时时，得到的Sb掺杂Ti02薄膜电极短路光电流密度为 0. 086 ii A. cm—2，无掺杂的Ti02薄膜电极的可见光光电流为0. 062 y A. cm—2如图3所示。焙 烧温度为42(TC时，得到的Sb掺杂1102薄膜电极短路光电流密度为0. 13ii A. cm—2，无掺杂的Ti(^薄膜电极的可见光光电流为0.07i!A.cm—2。如图4所示。结果表明由该新工艺制备 的纳米1102薄膜对可见光表现出增强的光电响应，有望在太阳能光电转换和光催化分解水 方面得到应用。 2.薄膜的XPS测试表明，以本工艺制备的Ti02薄膜含有Sb元素，如图5所示。
3.薄膜的SEM测试表明，以本工艺制备的Sb掺杂的Ti02薄膜为表面呈现纳米结 构，如图6所示。
图1Sb掺杂的二氧化钛薄膜的制备过程示意图。a为干净的Ti片；b为有Sb203的 瓷舟；c为制备过程，干净的Ti片覆盖在有Sb203的瓷舟上进行焙烧；d为Ti片接触瓷舟内 Sb203的部分生成Sb掺杂的Ti02 ;外侧为未掺杂的Ti02。 图2制备的样品的实物图。A，掺杂Sb的Ti02薄膜(中间部分)；B，单纯Ti热处 理得到的Ti02薄膜，样品制备条件45(TC焙烧1小时。 图3 40(TC焙烧氧化金属Ti片得到的Sb掺杂纳米Ti02电极(a)以及Ti02电极
(b)在可见光照射下的短路光电流曲线。可见光光强度5mW. cm—2， 1. OM KOH溶液。 图4 42(TC焙烧氧化金属Ti片得到的Sb掺杂纳米Ti02电极(a)以及Ti02电极
(b)在可见光照射下的短路光电流曲线。可见光光强度5mW. cm—2， 1. OM KOH溶液。 图5依据本发明制备的Ti02薄膜的Ti元素(A)和Sb元素(B)的XPS谱；制备样
品时在42(TC焙烧时间1小时。其中，a，掺杂Sb的Ti02薄膜；b，单纯Ti热处理得到的Ti02薄膜。 图6制备的Sb掺杂的纳米Ti02薄膜的SEM图，a，掺杂Sb的Ti02薄膜；b，单纯Ti 热处理得到的Ti02薄膜，样品制备条件42(TC焙烧1小时。
具体实施例方式实施例1 : 通过热处理的方法制备Sb掺杂的纳米Ti02薄膜，先将金属钛片进行处理，除去表 面的氧化层，然后利用图1的方式，在Sb03粉末存在的情况下，在40(TC下焙烧氧化金属Ti 片1小时，可以得到Sb掺杂的二氧化钛薄膜。以同样的条件下热处理氧化金属Ti片，可以 得到无掺杂的二氧化钛薄膜，作为对比用。 各裁取掺杂和无掺杂的二氧化钛薄膜，用砂纸打磨一角，去掉氧化膜，用银导电胶 把铜线(10cmX1.5mm)和的导电面粘在一起，放置红外灯下2小时烘干，接着用单组分室温 固化硅橡胶封装裸露的铜线和银胶以及多余的导电面，并固定工作电极的面积，在空气中 室温晾干24小时，得到Ti02工作电极。 将半导体1102电极作为工作电极，对电极金属Pt片，参比电极为Ag/AgCl，电解液 为1. OM KOH，光源为氙灯，通过水槽滤掉红外光，通过滤光片滤掉420nm以下的紫外光得到 可见光。把电极固定在带有石英窗口的自制的电解池中，依次测定它们在可见光照射下的 光电流曲线(图3)。图3示出Sb掺杂的二氧化钛薄膜电极(a)和未掺杂的Ti02薄膜电极 (b)在暗态和可见光照射下的电流 时间曲线，从图中可以看出，在可见光的照射下，依本 发明制备的Sb掺杂的纳米1102薄膜表现出光电响应，短路光电流为0. 086 A. cm—2，是未掺杂的Ti02薄膜的光电流的1. 39倍(图3)。
实施例2 : 通过热处理的方法制备Sb掺杂的纳米Ti02薄膜，先将金属钛片进行处理，除去表 面的氧化层，然后利用图1的方式，在Sb03粉末存在的情况下，在42(TC下焙烧氧化金属Ti 片1小时，可以得到Sb掺杂的二氧化钛薄膜。以同样的温度下热处理氧化金属Ti片，可以 得到无掺杂的二氧化钛薄膜，作为对比用。 测试条件同实施例1，依次测定它们在可见光照射下的光电流曲线(图4)。从图 中可以看出，在可见光的照射下，Sb掺杂的二氧化钛薄膜电极表现出光电响应，短路光电流 为0. 13 A. cm—2，是未掺杂的Ti02薄膜电极的光电流的1. 86倍(图4)。图5是样品的Ti 元素和Sb元素XPS测定结果，从图中可见Sb掺杂Ti02薄膜中的Sb元素峰，表明成功实现 了 Sb的掺杂。
实施例3 : 通过热处理的方法制备Sb掺杂的纳米Ti02薄膜，采用磁控溅射方法得到的金属 钛薄膜作为先驱体，然后利用图1的方式，在Sb03粉末存在的情况下，在42(TC下焙烧氧化 金属Ti薄膜1小时，可以得到Sb掺杂的二氧化钛薄膜。以同样的条件下热处理氧化金属 Ti薄膜，可以得到无掺杂的二氧化钛薄膜，作为对比用。 各裁取掺杂和无掺杂的二氧化钛薄膜，利用SEM测定其表面形貌(图6)，从图6中 可见无掺杂的二氧化钛薄膜呈现典型的热处理氧化溅射Ti后的表面形貌(图6a)，而Sb203 存在时焙烧得到Sb掺杂的二氧化钛薄膜呈现出细致的纳米结构(图6b)。
参考文献 1蔡臻炜.沃松涛.沈杰.崔晓莉.俞宏坤.杨锡良.章壮键.锑在直流反应磁 控溅射制备二氧化钛薄膜中的作用，真空科学与技术2005年01期，50-52
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权利要求
一种可见光活性的锑掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于在Sb2O3粉末存在的情况下，在400～450℃温度下焙烧氧化金属Ti片或Ti薄膜，焙烧时间为0.5～1.5小时，即得到所需的锑掺杂的二氧化钛薄膜。
全文摘要
本发明属于纳米二氧化钛薄膜制备技术领域，具体为一种可见光活性的锑掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备方法。本发明所用的原材料为金属钛片或Ti薄膜，以及Sb2O3粉末。通过热处理的方法制备Sb掺杂的纳米TiO2薄膜，即在SbO3粉末存在的情况下，在一定的温度下焙烧氧化金属Ti片或Ti薄膜，得到Sb掺杂的二氧化钛薄膜。通过控制热处理温度和时间来控制薄膜的厚度以及Sb的掺杂量。本发明工艺简单，可避免使用昂贵的设备，降低制备成本。
文档编号B82B3/00GK101723316SQ20091020024
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者崔晓莉, 顾一蓓 申请人:复旦大学