[发明专利]一种铋酸铜薄膜的制备方法

说明书

本发明属于光电极材料技术领域，特别涉及一种铋酸铜薄膜的制备方法，本发明利用磁控溅射法，在真空度为4~8x10^‑4 Pa的反应腔内，通入氧气和氩气的混合气体，通过射频直流电源分别对铜靶施加5‑40w的功率，铋靶施加15w的功率，形成等离子体，氩气的分压为0.75~0.85Pa，O₂分压为0.15~0.25Pa，沉积时间为10~20min，沉积完成后，在550~650℃下在空气中退火15~25分钟。本发明制备方法简单，并且得到的薄膜表面平整，致密度高，并且此方法对制备覆盖面积大的薄膜十分有利，因此该方法可广泛用于工业生产。本发明通过对靶材施加功率的大小，来改变薄膜的结构组成以及光学带隙，从而得到带隙合适的的材料。该方法同样适用于通过磁控溅射法制备其他三元金属氧化物。

技术领域

本发明属于光电极材料技术领域，特别涉及一种铋酸铜薄膜的制备方法。

背景技术

随着人类社会工业的发展，环境问题越来越严重。自从1972年藤岛和本田报道了TiO₂电极在光照下的氧和氢的演变以来，光催化被认为是解决环境问题的最有效和最经济的方法之一。近二十年来，由于有机污染物的完全分解，半导体光催化过程对有机污染物的破坏引起了广泛的关注。在这些半导体中，钛（Ti）、铋（Bi）、锌（Zn）和锡（Sn）的氧化物是光催化过程的优选材料。

开发可持续可再生便携的清洁能源代替化石燃料是当今亟待解决的能源问题。氢（H₂）一直是备受关注的清洁能源。氢能的热能为120MJ•Kg-1，几乎是汽油的三倍。通过光电化学（PEC）水分解技术来制备氢气被称为“人工光合作用”，这种技术是利用太阳能照射浸入水的电解质装置生成氢气和氧气，是一种理想的可再生能源生产形式。为了实现PEC水的大规模分解，必须开发新材料。这些材料必须由丰富的元素组成，在水溶液中在光照下保持稳定，并有效地驱动水分解半反应（析氧反应（OER）和析氢反应（HER））。在PEC水分解系统中，析氢反应发生在p型半导体的光电阴极上。

金属氧化物由于能提供不同的带宽并且一般稳定性较好，因此成为光电极材料的宠儿，如TiO₂，WO₃，Fe₂O₃， BiVO₄等。尽管已将许多复杂的金属氧化物材料确定为可用于PEC水分解中的光电极的潜在半导体候选物，但该领域仍然受到很少了解的材料的限制。迫切需要具有更高理论最大光电流密度的替代金属氧化物，它们的发展对于获得高效率至关重要。

最近，三元氧化物在析氢反应上引起了广泛关注，如CuBi₂O₄（铋酸铜），该材料在2007年首次被提出可作为析氢反应的材料。其光学带隙为1.5-1.8eV，其光电流起始电位为1VRHE，在AM1.5光照下，其最大光电流可达19.7-29.0mA cm^-2，由于CuBi₂O₄（铋酸铜）表现出极具吸引力的光电化学性能，并且至今还没有被报道已显示出接近极限理论的光电流密度，因此它也成为了最近研究的热点。并且，由于CuBi₂O₄表面特殊的催化性和光学性质，特别是其在可见光区对光的吸收等，作为一种新型光催化材料，也可用于光降解有机物。

发明内容

本发明提出了一种铋酸铜薄膜的制备方法。本发明采用磁控溅射法制备铋酸铜薄膜，磁控溅射法是一种常用的制备金属及金属氧化物膜的方法，用磁控溅射法制备的膜有致密，均匀的特点，并且磁控溅射能广泛应用于商业，因此，本发明首次提出用磁控溅射法制备CuBi₂O₄（铋酸铜）薄膜，使其用做光水解阴极产氢。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：