[发明专利]一种硫氮共掺杂型黑色二氧化钛纳米管阵列及其制备方法

说明书

本发明提供一种硫氮共掺杂型黑色二氧化钛纳米管阵列及其制备方法，根据二氧化钛的化学物理性能和结构特征，采用乙二醇和氟化氨做原料，去离子水做溶剂，采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列薄膜，然后采用硫酸铵作为硫源和氮源，并通过简易的退火工艺，制备出硫氮共掺杂的黑色二氧化钛纳米管阵列薄膜；此制备方法工艺先进，数据精确翔实，产物为黑色膜状，黑色二氧化钛纳米管阵列排列整齐均匀，与钛基底结合牢固，对紫外光和可见光有明显的吸收作用，可用于光催化还原CO₂，是高效的制备具有可见光响应的黑色二氧化钛纳米管阵列薄膜的方法。

技术领域

本发明属于光催化材料制备及应用的技术领域，具体涉及一种硫氮共掺杂型黑色TiO₂纳米管阵列及其制备方法。

背景技术

自工业革命以来，人类社会快速发展，导致全球能源消费率大幅度增加。而人类主要能源需求仍然由不可再生的化石燃料组成。严重依赖这些化石燃料不仅会造成空气和水污染，而且会导致CO₂大量排放到大气中引起全球变暖，对环境破坏。太阳能被广泛认为是一种清洁，丰富，可再生的能源，因此利用大气中的CO₂进行光催化还原，以化学燃料的形式储存太阳光具有重要意义。模拟自然光合作用过程光催化还原CO₂代表了一种绿色可持续的战略，同时解决了全球能源与环境问题。

二氧化钛(TiO₂)半导体材料作为一种性能优良的光催化剂被人们广泛应用于解决环境污染和能源短缺问题。由于其具有高效的催化活性、稳定的化学和热力学性能、安全无毒以及无二次污染等特点受到了广泛的关注和大量的研究。低维TiO₂材料的相继问世，如纳米线、纳米管、纳米带等，为进一步提高其性能提供了机遇。其中高度有序的纳米管阵列结构，具有显著的量子尺寸效应和取向效应。在光辐照下，光生电子能快速从TiO₂纳米管的导带进入导电基体，大大降低了光生载流子复合几率，从而使其表现出良好的光电活性，同时大的比表面积也令其在环境领域有十分广阔的应用前景。然而由于二氧化钛禁带宽度较大，只能利用太阳光中的紫外光，极大的限制了它的实际利用。

目前，提高TiO₂光响应范围的方法有离子掺杂法、半导体复合法以及贵金属沉积法等。其中利用掺杂法对TiO₂改性是最为常用且有效的方法之一，通过掺杂对TiO₂进行修饰，使得其光吸收边红移至可见光，从而提高对太阳光的利用率。研究者发现非金属元素取代TiO₂晶格中的部分氧原子，能更好地减小TiO₂带隙，拓宽其光吸收范围并显示出很好的可见光催化活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硫氮共掺杂型黑色二氧化钛纳米管阵列及其制备方法，解决了二氧化钛禁带宽度较大，吸收范围窄的问题，采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列，然后在热处理退火过程中加入硫酸铵晶体来提供硫源和氮源，从而制得硫氮共掺杂的黑色二氧化钛纳米管阵列，以获得比表面积高，在可见光范围内有较强吸收的二氧化钛纳米管阵列薄膜。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种硫氮共掺杂型黑色二氧化钛纳米管阵列的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、配制电解液

称取氟化氨、乙二醇和去离子水加入容器中，然后将容器置于超声波分散器内进行超声分散，充分溶解后配置成电解液；

S2、阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列

s21、在电解槽内，阳极安装钛片，并由导电吊丝吊装，阴极安装铂片，并由导电吊丝吊装；

s22、将步骤S1中配置的电解液加入到电解槽内，然后开启直流电源，在电解槽内进行电解反应，在阳极钛片上生成二氧化钛纳米管阵列，电解反应结束后关闭直流电源，迅速取出钛片，用去离子水冲洗干净，得到含有二氧化钛纳米管阵列的钛片；