[发明专利]一种纳米二氧化钛改性薄膜及纳米二氧化钛薄膜的梯度掺杂改性方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米二氧化钛掺杂改性薄膜及对纳米二氧化钛薄膜进行梯度掺杂改性的方法，属于光催化材料及其制备技术领域。

背景技术

TiO₂因无毒、化学性质稳定、价廉易得等特点被广泛应用于功能陶瓷、化妆品、环境污染治理、太阳能电池等领域。目前，TiO₂被认为是一种最具开发前景的降解废水及空气中有机污染物的半导体基光催化剂。在光照条件下，TiO₂可以将绝大多数有机物分解为二氧化碳、水和小分子物质，从而达到环保的目的。但TiO₂本身的带隙较宽（锐钛矿：3.2eV，金红石：3.0eV），只有在波长小于388nm的紫外光照下才可被激发并降解有机物，而紫外光只占太阳光总量的4%左右，因而限制了其在太阳光和/或可见光下的应用；另一方面，TiO₂在光照条件下产生的具有光催化活性的电子-空穴极易重新复合，致使量子效率较低，光催化活性下降。

为克服以上缺点，目前普遍采用在TiO₂中掺杂金属和/或非金属离子这一改性方法。通过在TiO₂中掺杂一种或多种离子不仅可以有效降低光生电子和空穴的复合几率，而且可以使TiO₂的光吸收波长进入可见光范围，增加可见光区域的光吸收量，进而提高TiO₂的光催化活性。目前，对于TiO₂薄膜最常采用的离子掺杂法是将掺杂离子直接加入TiO₂的前躯体溶液中，称为体相掺杂或内掺杂；本项目组采用的是将掺杂离子掺在TiO₂薄膜表面，称为表面掺杂或外掺杂。实验结果表明，表面掺杂比体相掺杂后的TiO₂薄膜具有更优异的光催化性能。但是离子表面掺杂也易使TiO₂周围的掺杂离子过于集中，多余离子有可能会成为新的电子-空穴复合中心，反而降低了TiO₂的光催化活性。因此，控制表面离子掺杂量并有效利用表面掺杂离子，使所得TiO₂薄膜保持最好的催化性能对光催化领域具有很大的实用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种纳米二氧化钛改性薄膜，该改性薄膜具有优异的光催化性能。

本发明还提供了一种纳米二氧化钛改性薄膜的梯度掺杂改性方法，该方法使改性离子在薄膜各层中呈梯度分布，有助于光生载流子的运输与传递，能有效促进光生电子-空穴的分离，使TiO₂的光吸收波长红移至可见光区，提高光子的利用率，因此，所得改性薄膜性能优异。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种纳米二氧化钛改性薄膜，包括多层掺杂有改性离子的二氧化钛薄膜，其特征是：改性离子均掺杂在二氧化钛薄膜表面，随着二氧化钛薄膜层数的增加改性离子的掺加量呈变大趋势。

图1是通过本发明制备的离子梯度掺杂改性纳米TiO₂薄膜的截面示意图。图中黑点代表掺杂的离子，随薄膜层数的增加掺杂离子量随之增加。

上述纳米二氧化钛改性薄膜中所述改性离子选自过渡金属、贵金属、稀土金属或非金属。

上述纳米二氧化钛改性薄膜中，所述过渡金属为Fe、Co、W或V，所述贵金属为Ag、Pt或Au，所述稀土金属为Ce或La，所述非金属为B、F或S。

上述纳米二氧化钛改性薄膜中，改性离子与TiO₂的质量比为0.002-0.03：1。

本发明主要改进了掺杂离子的掺加形式，使其在每层薄膜中的掺加量不同，具体的为呈增大趋势，在薄膜各层中梯度分布的离子有助于光生载流子的运输与传递，能有效促进光生电子-空穴的分离，使TiO₂的光吸收波长红移至可见光区，提高光子的利用率，从而有效促进光催化性能。本发明选择的掺加离子（即改性离子，下同）有过渡金属离子、贵金属离子、稀土金属离子和非金属离子，选择不同的离子时其在每层的梯度比例不近相同，随掺加离子的变化，各层中离子的含量也有变化。不同的掺加离子有不同的最佳掺加梯度比，掺加离子各层掺加梯度比例的不同会改变改性薄膜的光催化性能。从图2-7可以看出，不同的掺加离子、不同的掺加梯度比会有不同的性能，但总体上，按照梯度掺加所得的改性薄膜的性能要优于现有离子表面掺杂或者体相掺杂的薄膜的性能。整个改性薄膜中，二氧化钛薄膜的层数一般为3-6层，最终所得改性薄膜的厚度对薄膜性能有一定影响，一般最终厚度为0.1-0.5μm，厚度超过此范围会使薄膜的性能减弱甚至消失。