一種微納復(fù)合結(jié)構(gòu)二氧化鈦薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光催化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高比表面積、高催化活性的二氧化鈦薄膜的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益加重，已經(jīng)嚴(yán)重地威脅到了人類的生存和發(fā)展。光催化技術(shù)在環(huán)境治理方面有著很大的潛力，在未來一定會成為一種重要的治理環(huán)境污染的手段。
[0003]1972年，F(xiàn)ujishima和Hond發(fā)現(xiàn)用波長小于415nm(E > 3.0eV)的光源照射T12電極(光陽極)，可以在T12電極表面產(chǎn)生氧氣，Pt電極(光陰極)表面產(chǎn)生H2[Fujishima A, Honda, Nature, 1972, 238(5358): 37-38]。這一發(fā)現(xiàn)加速了半導(dǎo)體光催化的研宄進(jìn)程。其光催化機(jī)理是，當(dāng)入射光波能量大于禁帶寬度時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部會有電子發(fā)生躍迀，形成具有很高活性的電子-空穴對，它們傳導(dǎo)到半導(dǎo)體表面，可以將吸附在表面的有機(jī)物分解或者將高價(jià)的金屬離子還原[Cai R, Hashimoto K, Kubota Y, et al., ChemistryLetters, 1992，21(3):427-430]。
[0004]二氧化鈦因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、安全無害、催化性能好，是目前最為常見的光催化 劑[Mills A, Le Hunte S., Journal of Photochemistry and Photob1logyA !Chemistry, 1997，108 (I): 1-35]?，F(xiàn)在，常見的二氧化鈦薄膜具有:比表面積小、催化效果差、容易脫落的缺點(diǎn)。我們通過采用生長法在具有較大比表面積的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)上，制備具有較高催化性能的二氧化鈦薄膜，來解決這些問題。
[0005]呂男等[200810050888.4]采用單層掩模法，在硅片表面制備了具有較大比表面積微結(jié)構(gòu)并用于抗反射。黃峰等[201210345513.7]采用磁控濺射方法在基體上沉積制備了一層海綿狀多孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜來提高二氧化鈦薄膜的比表面積。此外[201010206483.2，201210050384.9,201310422345.1]也通過其他的方法在制備較大比表面積的二氧化鈦薄膜。
[0006]本發(fā)明以微納復(fù)合結(jié)構(gòu)為基底，通過生長法在其表面制備一層二氧化鈦薄膜。這種方法，有利于克服二氧化鈦薄膜比表面積小，光催化性能差的缺點(diǎn)。得到的二氧化鈦薄膜與基底連接性能好，便于回收利用且光催化效果無明顯下降。同時(shí)，微納復(fù)合結(jié)構(gòu)具有抗反射性能，在使用時(shí)可以提高二氧化鈦對光能的利用率，提高光催化性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有二氧化鈦薄膜比表面積小，光催化性能差的問題。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0009]1、將硅片依次用氯仿、丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗，取出用氮?dú)獯蹈?；再將娃片置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?10%氫氟酸酸溶液中浸泡5?lOmin，取出后用去離子水超聲清洗，用氮?dú)獯蹈桑蝗缓髮⒐杵诺綕舛葹?.8?1.2M氫氧化鉀和異丙醇以體積比為4:1組成的混合溶液中，在65?70°C和攪拌的條件下煮20?30min，取出用去離子超聲清洗，氮?dú)獯蹈桑?br>[0010]I1、將氫氧化鉀刻蝕過后的娃片，置于體積比為1:1?1.2的8?1M氫氟酸和0.02?0.04M硝酸銀的混合溶液中，浸泡10?40s，在其表面沉積一層銀納米粒子。
[0011 ] II1、將步驟II得到的樣品置于以體積比為2?4:0.5?2:10的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40 %氫氟酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%雙氧水和去離子水組成的混合溶液中，對硅錐結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，得到微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，刻蝕時(shí)間為0.5?2min，將得到的硅片取出置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10?20%的硝酸溶液中，在超聲的情況下浸泡5?15min，然后在去離子水中超聲清洗2?1min除去其表面的銀納米粒子，用氮?dú)獯蹈桑?br>[0012]IV、將步驟III得到的硅片置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10?20%的氫氟酸溶液中浸泡不少于3min在其表面生成S1-H鍵，取出放入到去離子水中超聲清洗，用氮?dú)獯蹈桑?br>[0013]V、將步驟IV得到的硅片置于純度為分析純的四氯化鈦中浸泡不少于30s，取出放入到去離子水中，超聲不少于30s，氮?dú)獯蹈?，再次的放入到四氯化鈦中浸泡不少?0s，依次重復(fù)不少于6次；
[0014]V1、將長有一層二氧化鈦種子層的硅片放入到體積比為0.5:10?50:0.2?0.6的鈦酸丁酯、冰醋酸和去離子水的混合溶液中，在120?180°C反應(yīng)，水熱反應(yīng)6?24h ；
[0015]VE、將硅片取出超聲除去表面沉積的二氧化鈦，置于400?900°C煅燒I?2h，使表面生長的二氧化鈦薄膜變?yōu)殇J鈦礦晶型或銳鈦礦與金紅石混晶的薄膜，即為光催化二氧化鈦薄膜。
[0016]本發(fā)明的效果和益處是:以微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的硅為基底，在其表面制備一層二氧化鈦薄膜，這種薄膜具有較大的比較面積，較好的抗反射性能，可以提高薄膜的光催化性能。同時(shí)，這種薄膜與基底連接性好，在使用時(shí)不發(fā)生脫落，可多次重復(fù)利用，催化效果不發(fā)生下降。使用時(shí)操作方便、成本低。
【附圖說明】
[0017]圖1 二氧化鈦薄膜生長流程示意圖。
[0018]圖2a微納復(fù)合結(jié)構(gòu)基底的掃描電鏡照片。
[0019]圖2b微納復(fù)合結(jié)構(gòu)基底二氧化鈦薄膜的掃描電鏡照片。
[0020]圖3不同溫度下煅燒得到的樣品與硅基底的XRD圖。
[0021]圖4微納復(fù)合結(jié)構(gòu)基底二氧化鈦薄膜光催化降解甲基橙的效果圖。
[0022]圖5微納復(fù)合結(jié)構(gòu)基底二氧化鈦光催化性能重復(fù)性測試圖。
[0023]圖中:圖1中I是N型(100)單晶硅，2是經(jīng)過刻蝕以后得到的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)基底，3是在微納復(fù)合結(jié)構(gòu)上生長過種子層的樣品，4是在微納復(fù)合結(jié)構(gòu)上生長一層二氧化鈦薄膜的樣品，5高溫煅燒后，微納復(fù)合結(jié)構(gòu)上的二氧化鈦薄膜樣品；圖3中A樣品為空白硅基底，B樣品為500°C下煅燒得到的樣品，C為700°C下煅燒得到的樣品，D為900°C下煅燒得到的樣品；圖4為微納復(fù)合結(jié)構(gòu)水熱反應(yīng)12h，在500°C下煅燒得到的樣品，光催化降解甲基橙的效果圖；圖5為微納復(fù)合結(jié)構(gòu)水熱反應(yīng)12h，在500°C下煅燒得到的樣品，光催化性能重復(fù)性測試效果圖，其光催化降解的有機(jī)物為亞甲基藍(lán)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下通過實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明涉及的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)二氧化鈦薄膜的制備方法和性能。
[0025]實(shí)施例1<