本發(fā)明涉及一種光催化劑粉末的制備方法，尤其涉及一種摻雜改性的光催化劑粉末的制備方法。

背景技術(shù)：

光催化材料是一種在光的照射下，可以促使與之接觸的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料。由于是借助光的力量促進(jìn)氧化分解反應(yīng)，因此后來人們也將這類材料稱作光觸媒。光催化現(xiàn)象的本質(zhì)是半導(dǎo)體在光的照射下，光生電子和空穴將有機(jī)物氧化還原分解的過程。

摻雜是提高光催化效率的一種有效方法。研究表明，采用貴金屬，如Pt、Au、Ag等沉積在二氧化鈦表面，能有效提高二氧化鈦的產(chǎn)氫效率。采用金屬離子摻雜對光催化效率的提升也有一定效果，有的金屬離子不僅可以增強(qiáng)光催化活性，還可能使半導(dǎo)體光吸收作用發(fā)生紅移，吸收波長范圍可擴(kuò)展至可見光區(qū)域，為以后利用太陽光作為光源提供了可能。一些非金屬離子也可以有效的擴(kuò)大TiO₂的波長響應(yīng)范圍。

目前，光催化劑的摻雜方法有浸漬法、沉淀法、火焰法、溶膠-凝膠法、離子注入法等。對于光催化劑粉末的摻雜，大部分都是通過液相的化學(xué)方法在粉末表面吸附一層摻雜元素，然后采用煅燒等方式，使摻雜元素在催化劑表面均勻分布。然而，采用這種方法制備的摻雜光催化劑由于容易引入雜質(zhì)元素、高能耗、污染環(huán)境、操作復(fù)雜、制備量小等缺點(diǎn)而沒有得到廣泛的應(yīng)用。

基于以上問題，本

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
涉及一種光催化劑的改性方法，實(shí)現(xiàn)光催化劑粉末的摻雜,保證摻雜元素均勻分布在光催化劑顆粒表面的基礎(chǔ)上，有效提高光催化效率。同時(shí)，該制備方法工藝簡單，綠色環(huán)保，無廢氣及廢液產(chǎn)生，且適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要涉及一種摻雜改性的光催化劑粉末的制備方法，主要目的是將微量的摻雜元素沉積于光催化劑粉末顆粒的表面。為了保證光催化效率，光催化劑粉末顆粒尺寸要達(dá)到亞微米甚至納米級別。整個(gè)操作過程包含以下步驟：

1、光催化劑粉末表面處理；

2、通過磁控濺射在光催化劑表面濺射一層厚度5~10nm的摻雜元素，形成摻雜改性的光催化劑粉末；

3、將摻雜改性的光催化粉末進(jìn)行退火處理。

其中，光催化劑粉末包括二氧化鈦(TiO₂)，氧化鋅(ZnO)，氧化亞銅(Cu₂O)，三氧化二鐵(Fe₂O₃)，硫化鋅(ZnS)，硫化鎘(CdS)中的一種或多種組成的復(fù)合半導(dǎo)體材料，還包括負(fù)載于顆粒載體表面的光催化劑粉末，顆粒載體包括石英砂、人造玻璃、搪瓷、三氧化二鋁、氮化鋁、立方氮化硼、方解石、分子篩。

光催化劑的表面處理包括離子源清洗、有機(jī)溶劑清洗、水基清洗劑清洗、化學(xué)清洗、電化學(xué)清洗、蒸汽清洗、高壓噴射清洗、超聲波清洗等方式，去除表面的油污及其他雜質(zhì)物質(zhì)，確保光催化劑表面無異物，滿足后期摻雜元素沉積的要求，烘干后備用；

摻雜元素包括Pt、Au、Ag、Fe、N、C、S、F。

摻雜元素沉積工藝主要為物理氣相沉積，包括直流磁控濺射和射頻磁控濺射。

磁控濺射的靶材包括銀靶材、鈦靶材、硫化亞銅靶材、三氧化二鐵靶材、鉑靶材、氮化鈦靶材、銅靶材、鋁靶材、鐵靶材。

磁控濺射的工藝參數(shù)為本底壓力2×10^-3Pa，鍍膜壓力0.1Pa，40~50 SCCM99.99%純度氬氣，濺射電流5~10A，鍍膜時(shí)間5~20s。

退火溫度100~150℃，退火時(shí)間2~4h。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中摻雜Ag和未摻雜Ag的TiO₂粉末光催化劑對甲基橙濃度的影響。

圖2為實(shí)施例2中摻雜Fe³⁺和未摻雜Fe³⁺的氧化鋅粉末光催化劑對甲基橙濃度的影響。

圖3為實(shí)施例4中摻雜S與未摻雜S的TiO₂-Cu₂O粉末光催化劑對甲基橙濃度的影響。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1。

以購買的德固賽P25型二氧化鈦為光催化劑，有機(jī)溶劑清洗烘干后作為磁控濺射的基底。

采用直流磁控濺射工藝濺射銀靶，本底壓力2×10^-3Pa，通入50 SCCM99.99%純度氬氣，鍍膜壓力為0.1Pa，濺射電流5A，鍍膜時(shí)間5s，在二氧化鈦表面反應(yīng)濺射微量的粒徑為5nm左右的Ag顆粒。將所得的粉體在145℃下退火2h，最終得到表面摻雜銀的二氧化鈦光催化劑。

將表面摻雜銀的二氧化鈦光催化劑與未摻雜銀的P25型二氧化鈦1g，分別放入1L濃度為10mg/L的甲基橙溶液中，放置在紫外可見氙燈光源下照射，并使用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌。每隔一段時(shí)間從溶液中取樣，放入比色皿中，使用紫外可見分光光度計(jì)在波長為464nm處測其吸光度，代表此時(shí)甲基橙的濃度。5分鐘后，摻雜銀的二氧化鈦甲基橙混合液顏色變白；25分鐘后，未摻雜銀的P25型二氧化鈦甲基橙混合液顏色也變白。說明通過摻雜銀，可以使P25型二氧化鈦光催化效果大大增強(qiáng)。

實(shí)施例2。

以負(fù)載在亞微米級石英砂上的氧化鋅粉末光催化劑，作為磁控濺射的基底，采用離子源清洗去除表面附著物。

采用射頻磁控濺射工藝濺射三氧化二鐵靶材，本底壓力2×10^-3Pa，通入40 SCCM 99.99%純度氬氣，鍍膜壓力0.1Pa，濺射電流10A，鍍膜時(shí)間15s，在氧化鋅表面反應(yīng)濺射一層粒徑為10nm左右的三氧化二鐵顆粒。將所得的粉體在135℃下退火3h，最終得到摻雜Fe³⁺的氧化鋅光催化劑。

將表面摻雜Fe³⁺的光催化劑與未摻雜Fe³⁺的光催化劑1g，分別放入1L濃度為10mg/L的甲基橙溶液中，放置在氙燈光源下照射，使用濾光片去除紫外光，并使用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌。每隔一段時(shí)間從溶液中取樣，放入比色皿中，使用紫外可見分光光度計(jì)在波長為464nm處測其吸光度，代表此時(shí)甲基橙的濃度。30分鐘后，摻雜Fe³⁺的氧化鋅甲基橙混合液顏色變白；而2小時(shí)后，未摻雜Fe³⁺的氧化鋅甲基橙混合液仍為橙色。說明通過摻雜Fe³⁺，使氧化鋅光催化劑在可見光下具有光催化效果，拓寬了氧化鋅的吸收光譜。

實(shí)施例3。

以吸附在亞微米級三氧化二鋁上的二氧化鈦光催化劑，采用離子源清洗去除表面附著物，作為磁控濺射的基底。

采用射頻磁控濺射工藝濺射鈦靶材，本底壓力2×10^-3Pa，通入45 SCCM 99.99%純度氬氣，5 SCCM 99.99%純度氮?dú)猓兡毫?.1Pa，濺射電流10A，鍍膜時(shí)間15s，在二氧化鈦表面反應(yīng)濺射一層粒徑為10nm左右的氮化鈦納米顆粒。將所得的粉體在115℃下退火4h，得到氮摻雜的二氧化鈦光催化劑。

將該光催化劑進(jìn)行光催化降解甲基橙實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其光催化效果大大增強(qiáng)，通過紫外可見吸收光譜分析，該光催化劑的吸收光譜得到拓寬，可以吸收少量的可見光。

實(shí)施例4。

將二氧化鈦和氧化亞銅粉末按1:1比例混合，然后在400℃條件下煅燒2h，形成TiO₂-Cu₂O復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑。將此復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑在去離子水中采用超聲波清洗去除表面附著物，烘干后作為磁控濺射的基底。

采用磁控濺射工藝濺射硫化亞銅靶材，本底壓力2×10^-3Pa，通入40 SCCM 99.99%純度氬氣，鍍膜壓力0.1Pa，鍍膜時(shí)間20s，在TiO₂-Cu₂O表面反應(yīng)濺射一層粒徑為10nm左右的硫化亞銅納米顆粒。將所得的粉體在105℃下退火4h，得到硫摻雜的TiO₂-Cu₂O復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑。

將摻雜硫的TiO₂-Cu₂O光催化劑與未摻雜硫的TiO₂-Cu₂O光催化劑1g，分別放入1L濃度為10mg/L的甲基橙溶液中，放置在紫外可見氙燈光源下照射，并使用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌。每隔一段時(shí)間從溶液中取樣，放入比色皿中，使用紫外可見分光光度計(jì)在波長為464nm處測其吸光度，代表此時(shí)甲基橙的濃度。1小時(shí)后，摻雜硫的TiO₂-Cu₂O光催化劑中，甲基橙混合液橙色褪去；1.5小時(shí)后，未摻雜硫的TiO₂-Cu₂O光催化劑基橙混合液顏色僅僅變淡。說明通過摻雜硫，可以使氧化亞銅光催化效果得到增強(qiáng)。