[发明专利]一种钼碳共掺二氧化钛光催化薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化薄膜技术领域，具体涉及一种钼碳共掺二氧化钛(Mo/C -TiO₂)光催化薄膜的制备方法。

背景技术

TiO₂作为一种优秀光电催化材料受到了广泛关注。但是3.2 eV的能带宽度(锐钛矿)使其只能吸收紫外光，限制了对太阳能的利用。为增加TiO₂对可见光的吸收，提出了一些掺杂改性的方法，比如金属掺杂¹和非金属掺杂等²。这些方法能减小TiO₂的带宽，增加其对可见光的吸收。然而单一金属掺杂或非金属掺杂TiO₂虽然对可见光的光电转换效率有一定提升，但随着掺杂浓度的提高，光生载流子复合率急剧增大，抵消了掺杂带来的光吸收提高的优势，因此在进一步提升其光电转换效率时遇到了瓶颈。而多元素的共掺杂成了突破这种瓶颈的一个重要途径。

Wan-Jian Yin等通过计算指出³，具有4d和5d轨道的阳离子进入TiO₂晶格中能保证维持电子的高迁移率，而具有2p或3p轨道的阴离子则能使TiO₂价带顶部上移，从而达到减小能带带宽的目的。他们认为Nb、Ta、Mo和W是最佳的施主元素，而N和C则是最佳的受主元素。计算结果表明(Ta, N)和(Nb, N)为高浓度掺杂下最优的施主-受主组合，而(Mo, N)和(W, C)则为低浓度掺杂下最优的组合。在掺杂元素中，金属元素钼和非金属元素碳作为掺杂元素以其特别的性质受到了很多关注^4-5。钼离子的半径大小和钛离子的相当(Mo⁶⁺, 0.59 nm; Ti⁴⁺, 0.605 nm) ⁶，而碳原子由于特殊价态结构在TiO₂晶格中既可取代钛位置，又可以取代氧位置，还可以间隙原子的形式存在。Keqi Tan等采用溶胶-凝胶法制备的钼氮共掺TiO₂显示出了最大的可见光吸收带边红移现象⁷。Ye Cong等发现碳氮共掺TiO₂比P25和碳单掺TiO₂表现了更好的光催化效果⁸。钼碳共掺TiO₂表现出了比单掺更好的光电流特性和光催化活性⁹，这也符合Yanqin Gai的研究，他通过局部密度近似计算找到了改善TiO₂光电活性的掺杂元素最佳组合(Mo, C)¹⁰。

目前，报道的Mo、C共掺TiO₂的制备方法主要有热氧化法⁷、溶胶凝胶法¹¹等，但未见磁控溅射制备技术的报道。本发明应用多靶磁控共溅射技术，采取三靶共溅方式制备了钼碳共掺TiO₂薄膜。相对于热氧化、溶胶凝胶等方法，本发明的一大优点是可以随时通过改变三个溅射靶的功率来调节薄膜中Ti、Mo和C之间的含量比例，方便可控，重复性高。通过本发明制备的钼碳共掺TiO₂薄膜在可见光下有着优良的光电催化性能。

参考文献：

1.    Da-sen Ren, Zhuang-jian Zhang, Crystal Structure and Photocatalytic Characteristics of Nanoscale Sb-doped TiO₂ Thin Films, CHINESE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, 2006.19(6).549.6

2.    Matthias Batzill, Erie H. Morales, and Ulrike Diebold, In?uence of Nitrogen Doping on the Defect Formation and Surface Properties of TiO₂ Rutile and Anatase, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2006, 96(2): 026103