[发明专利]一种原位光辅助铜沉积光催化剂的制备方法及原子层沉积装置

说明书

本发明涉及一种原位光辅助铜沉积光催化剂的制备方法及原子层沉积装置。本发明研究表明光辅助铜原子的沉积可以有效提高光催化剂表面铜的沉积量和沉积速率，还可以通过光辅助沉积实现对催化剂中铜离子价态的调整，提供了一种成本更加经济、简便的光催化剂制备方法。本发明还搭建了一种光辅助原子层沉积的装置，通过简单的改进实现了同时制备加光及不加光沉积样品的制备，是一种高效、有力的研究工具。

技术领域

本发明属于光催化剂的制备技术领域，具体涉及一种原位光辅助铜沉积光催化剂的制备方法及光辅助的原子层沉积装置。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

原子层沉积(ALD)技术由于其高分散性、均一性、颗粒薄膜厚度可调性等众多优势，逐渐发展成一种广泛应用的光催化剂制备修饰方法。而沉积过程中沉积环境的变换，相应变量的引入对于沉积物质的物理化学性质也有着非常巨大的影响，继而也会对于后续催化性能有着显著的影响。这些变量包括对于基底温度的调控，不同前驱体以及反应物的使用，甚至包括反应流速等因素对于沉积物质的状态，是否可以实现沉积等都有着影响。而其它物理性质变量的引入，例如最常用的PE-ALD，就是将前驱体气体等离子体化，进一步活化前驱体气体，从而可以降低沉积温度，而后进一步会影响ALD沉积成膜质量以及沉积速率。其它物理变量也可以被引入到ALD沉积过程中，物理变量例如光，电，热，磁，力这些物理因素都可以被引入到沉积过程中，进而有可能会影响到沉积物质的状态。

据发明人研究了解，光和热两种物理因素对于半导体材料而言，对于不同材料而言可以进一步产生氧空位。对于TiO₂而言，在惰性气氛或者真空环境下进行煅烧会产生氧空位，而氧空位的浓度可以通过煅烧温度以及气体流速等因素去控制。从光照的角度讲，电子束的照射也会在物质表面产生氧空位。结合ALD 沉积条件，其是在相对高温的惰性气体下进行沉积的，这种条件本身就可以对于不同半导体催化材料产生不同程度的氧空位，而高能电子或者光子的引入也可能会引发物质表面状态的改变。ALD沉积条件下引入光并产生氧空位对于后续沉积材会产生影响，而沉积材料的状态对于之后的催化反应是至关重要的。通过光辅助沉积实现对于催化剂性质的调控。二氧化钛和钒酸铋两种材料在光催化及光电催化领域是研究非常广泛的两种材料，这两种材料均环保无毒，且原材料储量丰富，制备流程相对简单，两种材料均有着相对合适的带隙。两种材料在各种催化反应，例如光解水产氢产氧、二氧化碳还原、有机污染物降解等领域均有着很好的性能。现有研究中有报道采用光辅助沉积对上述光催化剂的性能进行优化，随着沉积材料及沉积方式的改变，上述光催化剂的性能优化方向也具有不同。

发明内容

基于上述技术背景，本发明目的在于提供一种成本经济并且制备方式更加简便的光催化剂。为了实现上述目的，本发明采用铜源进行沉积，相比现有光催化剂采用贵金属沉积，本发明方案可以有效的降低光催化剂成本。另外，在上述光催化剂的制备过程中，本发明还发现，光辅助铜原子的沉积可以有效提高光催化剂的光吸收效果、提高铜沉积量，并且可以实现对铜离子价态的调整，通过光辅助沉积可以根据光催化剂的使用目的灵活调整铜原子的沉积效果。

因此，本发明第一方面，提供一种原位光辅助铜沉积光催化剂的制备方法，包括如下步骤：水热合成TiO₂或者BiVO₄纳米薄膜，将所述纳米薄膜置于光照条件下进行Cu原子层沉积。

本发明研究发现，光辅助沉积条件下对于不同材料产生氧空位的影响是不同的，而氧空位缺陷的多少是决定沉积物质状态的关键因素。当以铜离子作为沉积元素时，加光沉积能够影响氧空位的生成从而调节Cu的价态，增加铜在不同光催化剂表面的沉积量和沉积速率。本发明的对照研究中，也探究了铁原子的光沉积效果，然而，加光辅助氧化铁沉积的效果与铜完全不同，并没有表现出相应的促进作用，这可能也说明了光辅助沉积对铜的效果是具有一定特异性的。