[发明专利]一种钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于环境材料技术领域，具体一种钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列薄膜材料及其制备方法。

背景技术

光催化技术在环境污染治理和洁净能源生产方面有着巨大的应用价值，其研发重点是设计并合成高效的光催化材料。作为一种优良的光催化剂，TiO₂的实际应用仍然面临两个关键问题，即无可见光响应和较低的光催化效率。大量研究表明，通过对TiO₂进行适当的掺杂和形貌结构控制，可以提高其可见光吸收能力和光催化性能。

TiO₂纳米管阵列的特殊结构使其具有一系列优点，其有序结构和薄壁特性可以提高光生载流子的迁移速率，缩短迁移路径，减小光生电子和空穴的复合几率，从而增加其与目标反应物的接触机会，提高光催化效率。此外，TiO₂纳米管阵列还具有高比表面积，高孔隙率等优点，有利于反应物在其表面的扩散和吸附，以及光的有效入射和利用。由于以上诸多优点，TiO₂纳米管阵列在光催化和光电化学领域具有广阔的应用前景，近年来关于TiO₂纳米管阵列的应用性研究也越来越多。然而，二氧化钛本身无可见光响应的缺点限制了TiO₂纳米管阵列在光催化领域的应用。太阳光谱中，具有高能量的紫外线的含量仅为5％左右，可见光的含量则高达45％，为了提高TiO₂纳米管阵列对太阳光的利用率，必须提高其可见光吸收能力。

过渡金属(V、Mo、W等)与非金属(N、C等)共掺杂是提高TiO₂可见光吸收能力和光催化性能的有效途径，其在TiO₂纳米管阵列上的应用也值得期待。然而，阳极氧化法制备TiO₂纳米管阵列的工艺特点使得过渡金属元素很难以金属离子的形式均匀掺杂到TiO₂晶格中，过渡金属/非金属共掺杂也就无法实现。到目前为止，并未见到关于过渡金属/非金属元素共掺杂氧化钛纳米管阵列的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列薄膜材料及其制备方法，该薄膜材料在可见光下的光催化和光电化学性能远高于传统氧化钛薄膜材料，在光催化降解水中有机物和还原重金属离子方面具有良好的应用前景。

本发明的技术方案是：

一种钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列薄膜材料，该薄膜材料附着于钛钼合金基板，由垂直于基板的有序氧化钛纳米管组成。

所述的钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列薄膜材料，氧化钛纳米管中的部分钛原子被钼替代，部分氧原子被碳替代，钼钛原子比在0.03～0.15之间，掺杂碳与钛的原子比在0.01～0.09之间。

所述的钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列薄膜材料，该薄膜材料的厚度为0.5～6μm，纳米管管径为50～120μm，氧化钛纳米管的晶体结构为锐钛矿。

所述的钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列薄膜材料的制备方法，首先采用合金化法制备钛钼合金，然后在含氟电解液中阳极氧化钛钼合金片，最后依次在空气和一氧化碳气氛中热处理，得到钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列薄膜材料。

所述的钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列薄膜材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)在1000℃±50℃下对Ti-xMo合金进行均匀化处理2～4小时，Ti-xMo合金中2.5≦x≦10，然后淬火得到单相钛钼合金；

(2)将钛钼合金切片磨光后，在含水的氟化铵/乙二醇电解液中阳极氧化0.5～4小时，阳极氧化的工作电压为20～30V，在钛钼合金表面得到厚度为0.5～6μm、管径为50～120μm、钼钛原子比为0.03～0.15的非晶态氧化钛纳米管阵列；该电解液中，氟化铵的质量分数为0.2％～1％，水的体积分数为2～4％；

(3)将含有钼元素的非晶态氧化钛纳米管阵列在空气中于450～500℃热处理1～3小时，得到钼掺杂的锐钛矿相氧化钛纳米管阵列，然后在一氧化碳气氛中500℃～600℃热处理2～4小时，得到钼碳共掺杂的锐钛矿相氧化钛纳米管阵列薄膜。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明制备的材料与传统的TiO₂纳米管阵列的区别在于，成功实现了二氧化钛纳米管阵列的钼碳共掺杂，钼碳共掺杂氧化钛纳米管阵列表现出以下优势：

①钼碳共掺杂产生的协同效应使得材料表现出很好的可见光吸收能力，从而使其产生了具备可见光催化能力的前提；