[发明专利]具有可见光光电催化效应的三元氧化物薄膜结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一类具有良好可见光光电催化效应的三元氧化物薄膜结构的制备方法。该薄膜结构以简单的溶胶-凝胶工艺制备合成，成本低廉，性能稳定。本发明属于无机非金属材料及催化剂制备技术领域。 

背景技术

    根据半导体材料的带隙特征，可以经由紫外-可见光波的照射而产生光生电子-空穴，若同时施以外加电场，则可实现光生电子-空穴的分离，用以降解处理有机物污染，这种技术就是光电催化技术。最常见的光电催化材料为TiO₂纳米材料(如TiO₂纳米管、TiO₂纳米管阵列等)，其光电催化使用波段为紫外光波段。纯TiO₂纳米材料的光电催化效率较低，普遍低于50%^[1]。对TiO₂纳米材料进行改性或者敏化不仅可提高光电催化效率，还可实现可见光的利用^[2]，然而由此也导致了合成步骤的繁琐化，有些甚至需要用到CVD技术^[3]，这使得制备成本大为提高，不利于产业化。因此，一种可以成本低廉、合成简单并能利用可见光来实现光电催化降解的材料在环境处理产业领域是受欢迎的。 

三元氧化物BiFeO₃ (BFO) 是一类实际表现为n型的半导体材料，这是由于其Fe³⁺容易变价为Fe²⁺。由于BFO的禁带宽度较窄，约为1.84 ~ 3.1 eV (400 ~ 674 nm) ，处于可见光波段内，因此BFO材料本身即具有可见光光电催化效应，且这种效应在纳米形式下可得到提高。就目前的技术而言，制备BFO纳米管、纳米阵列有相当难度，然而BFO半导体薄膜的合成则相当简单且成本低廉。 

本发明即根据产业化的需求，采用图1所示的BFO薄膜/FTO导电玻璃结构来实现可见光的光电催化处理。该结构在实际应用中作为工作电极，无需考虑光的入射方向，只需在一定阳极偏压下通过可见光照射，即可对有机物如甲基橙溶液进行降解，达到光电催化处理的目的，具有很高的使用便利度。经测试，该结构5小时的可见光照射光电降解甲基橙溶液的催化活性可达71.6%。这种BFO薄膜/FTO导电玻璃结构在本方明中以溶胶-凝胶方法制备合成，该方法工艺简单、实施方便、周期短、成本低廉。此结构中BFO薄膜分布均匀、性能稳定良好，且可制成大面积尺寸的产品，这更具有产业化可行性。 

发明内容

    本发明的目的是提供一种具有可见光光电催化效应的三元氧化物薄膜结构的制备方法，其特征在于具有以下的过程和步骤： 

a. FTO导电玻璃衬底的预处理：

    首先用丙酮轻轻擦洗衬底表面，再经过丙酮、无水乙醇3次超声振荡，每次至少5分钟，最后用去离子水超声15分钟，烘干备用；

b.铁酸铋(BiFeO₃，简写为BFO)溶胶的制备：

    首先用分析天平称取一定量的五水合硝酸铋置于圆底烧瓶中，加入适量乙二醇甲醚后将圆底烧瓶放在磁力搅拌器上搅拌，待五水合硝酸铋充分溶解于乙二醇甲醚后，用移液管加入一定比例的冰醋酸继续搅拌；其次按照五水合硝酸铋：九水合硝酸铁=1.02:1的摩尔比例称取九水合硝酸铁置于另一圆底烧瓶中，加入适量乙二醇甲醚，待充分溶解后用移液管量取与上述操作等量的冰醋酸加入上述混合物中，加入冰醋酸的总量与九水合硝酸铁的摩尔比为1:1；然后将两圆底烧瓶中的溶液混合，于60⁰C油浴半小时，目的是加速水解；最后常温继续搅拌3小时即得到所需浓度的铁酸铋(BiFeO₃)溶胶，静置24-48h后使用；

c.BFO溶胶涂覆在FTO上并进行退火处理：

使用SC-1B型台式匀胶机将制备的前驱体溶胶以2000转/分钟，5秒；4000转/分钟，25秒的速率将b中的溶胶涂覆在FTO(掺F的SnO₂)导电玻璃上，然后在BP-2B型烘胶台上于240⁰C下烘干，接着在KG-2-ZE型快速光热炉中分两段预结晶，300⁰C 下2分钟、500⁰C下5分钟；得到一层薄膜。重复以上过程，得到一定厚度的薄膜；最后将上述薄膜在马弗炉中600⁰C退火1小时使其进一步晶化；最终得到BFO/FTO三元氧化物薄膜结构催化剂。