[发明专利]二氧化钛半导体薄膜及制备方法与其在光电催化中的应用

说明书

本发明公开了二氧化钛半导体薄膜及制备方法与其在光电催化中的应用，其晶相结构为锐钛矿相结构，(131)晶面的透射电子显微镜高分辨率图谱中，相邻(101)晶面之间的距离均为其制备方法为：将金属钛反应溅射为沉积态二氧化钛薄膜，将沉积态二氧化钛薄膜退火处理为锐钛矿二氧化钛薄膜，获得的锐钛矿二氧化钛薄膜即为目标产物二氧化钛半导体薄膜。本发明提供的二氧化钛半导体薄膜具有更高的光电流密度，从而具有更好的光电催化效率。

技术领域

本发明属于光电半导体薄膜材料技术领域，涉及二氧化钛半导体薄膜及制备方法与其在光电催化中的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

光电化学反应是指光辐照与电解液接触的半导体表面所产生的光生电子－空穴对被半导体/电解液结的电场所分离后与溶液中离子进行的氧化还原反应。光电催化是一种特殊的多相催化，光电催化是转换太阳能为化学能的贮能反应，例如利用太阳能转化为氢能。二氧化钛(TiO₂)是一类应用广泛的半导体功能材料，主要以金红石相、锐钛矿相和板钛矿相存在，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高等共同光电特性，可以用于光电催化领域。与其他型式的二氧化钛材料相比，二氧化钛薄膜在光电催化领域更有优势。

据发明人了解，目前二氧化钛薄膜的制备方法主要有脉冲激光沉积(PLD)法、磁控溅射法、溶胶-凝胶法等。二氧化钛薄膜在光电催化中作为光阳极，其光电流密度越高，光电催化效率越高。然而，经过发明人研究发现，现有方法制备的二氧化钛薄膜的光电流密度较低，均低于300μA/cm^-2，导致单纯二氧化钛的光电催化效率较低，影响二氧化钛薄膜在光电催化领域的推广应用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供二氧化钛半导体薄膜及制备方法与其在光电催化中的应用，本发明提供的二氧化钛半导体薄膜具有更高的光电流密度，从而具有更好的光电催化效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种二氧化钛半导体薄膜，晶相结构为锐钛矿相结构，(131)晶面的透射电子显微镜高分辨率图谱中，相邻(101)晶面之间的距离均为

经过研究发现，锐钛矿二氧化钛的结晶均匀性影响其薄膜的光电流密度，结晶越完全、致密、均匀，光电流密度越高，尤其是(131)晶面中相邻(101)晶面均匀程度，当(131)晶面中相邻(101)晶面之间的距离均匀，且距离为时，光电流密度更高，可达1.75mA/cm²以上，远高于现有二氧化钛薄膜的光电流密度。

为了获得上述二氧化钛半导体薄膜，另一方面，一种二氧化钛半导体薄膜的制备方法，将金属钛反应溅射为沉积态二氧化钛薄膜，将沉积态二氧化钛薄膜退火处理为锐钛矿二氧化钛薄膜；所述反应溅射利于远源等离子体溅射进行。获得的锐钛矿二氧化钛薄膜即为目标产物二氧化钛半导体薄膜。

本发明采用远源等离子体溅射能够更均匀的将反应后的二氧化碳更均匀的沉积才衬底上，然后通过退火处理，使得制备的锐钛矿二氧化钛结晶更均匀，从(131)晶面的透射电子显微镜中，可以明显看出结晶完全、致密且均匀，具体体现为相邻(101)晶面的间距趋于一致，在制备的这种二氧化钛半导体薄膜，相比现有的二氧化钛薄膜具有更高的光电流密度。

第三方面，一种上述二氧化钛半导体薄膜在光电催化中的应用。

第四方面，一种光电催化反应器，包括光阳极，所述光阳极的活性材料为上述二氧化钛半导体薄膜。

本发明的有益效果为：