[发明专利]可实现可见光催化的N掺杂TiO2薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改进的可实现可见光催化的N掺杂TiO₂薄膜制备方法，属于光催化材料领域。 

背景技术

TiO₂是一种n型宽禁带半导体材料，具有独特的性能：氧化能力强、化学性能稳定、催化效率高、杀菌范围宽、无刺激性、安全无毒、无二次污染、价格低廉等优点。因此TiO₂可以用于制作光催化材料、电解质材料、减反射涂层材料、氧传感器、湿度传感器等，实现有机物降解、自清洁以及太阳能转换等功能。 

1972年，日本的Fujishlin等人研究发现TiO₂单晶电极在紫外光照射下可以将H₂O分解成H₂和O₂。自此，多相有机物光催化反应引起研究人员浓厚的兴趣，并对此进行了大量的研究，探索该反应过程的原理，并致力于提高TiO₂光催化效率以及实现TiO₂可见光催化活性。 

半导体光催化主要包括两个过程： 

(1)光激发带间跃迁过程，价带电子从价带跃迁到导带，形成光生空穴－电子对； 

(2)光生电子和光生空穴与表面的吸附态离子相互作用。 

Asahi采用N₂/Ar混合气体中用磁控溅射方法合成N-TiO₂薄膜，认为N原子取代了TiO₂中的O原子，这些N原子的掺杂形成了N的2p态和O的2p态的混合态，使得TiO₂的价带与导带间的带隙变窄，对可见光的响应增强。R.Asahi等人的工作使N掺杂被认为是提高TiO₂在可见光波段光催化活性最有效的方法之一，并使N掺杂成为目前TiO₂掺杂领域研究的热点。 

发明内容

本发明旨在提供一种的可实现可见光催化的N掺杂TiO₂薄膜催化剂，有相对较高的N掺杂量，减小TiO₂价带与导带间的禁带宽度；形成的晶相为anatase相TiO_2，并且，可直接制备得到纳米晶结构的anatase相TiO₂。 

为了达成上述目的，本发明的提供了一种可实现可见光催化的N掺杂TiO₂薄膜的制备方法，包括如下步骤：(a)用N离子源轰击TiO₂薄膜；并且(b)使得所述薄膜中N元素的掺杂量提高到21％。 

一些实施例中，使得所述N-TiO₂薄膜中N掺杂的有效注入达到110nm。 

一些实施例中，使得所述N-TiO₂薄膜中N/Ti的平均原子达0.50。 

一些实施例中，使得所述N-TiO₂薄膜中O/Ti的平均原子可达0.62。 

一些实施例中，还包括不经过退火过程，直接形成纳米晶结构的anatase相的所述N-TiO₂薄膜。 

本发明的效果是提高N的掺杂量可以改善N-TiO₂薄膜的性能，可见光范围的透光率单调降低，当光通过样品时，一部分光透射过去，一部分光反射回去，还有一部分光被吸收，从透光率逐渐减弱，我们也可得出可见光范围的平均吸光度应单调增加。N-TiO₂薄膜内N元素含量增加，使得N-TiO₂薄膜的禁带宽度变窄，表面的岛状结构越加明显，光吸收效率就会提高,从而会增加表面光生载流子的浓度，提高了其催化活性；同时，随着粒径变小，表面粗糙度变大，比表面积增大，反应物在表面的吸附量增加，从而增大了反应速度；并且，在光催化反应中，TiO₂表面要经历羟基化过程，粒径越小表面原子比例增大，表面羟基的数目也随之增加，因此，N-TiO₂薄膜的光催化降解效率增强，并促进TiO₂薄膜在可见光条件下实现光催化，同时，直接形成纳米晶结构的anatase相TiO₂，可省去退火过程，简化工艺，节约资源。 

以下结合附图，通过示例说明本发明主旨的描述，以清楚本发明的其他方面和优点。 

附图说明

结合附图，通过下文的详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特 征和优点，其中： 

图1为根据本发明实施例的可实现可见光催化的N掺杂TiO₂薄膜的制备方法的流程图；