一种基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件及其制备方法和应用，属于光催化器件技术领域。本发明专利技术提供了一种基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件，包括石英玻璃基底、TiO

【技术实现步骤摘要】
一种基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件及其制备方法和应用
本专利技术涉及光催化器件
，尤其涉及一种基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件及其制备方法和应用。
技术介绍
目前，水环境污染问题是人类面临的重大威胁，水环境中有机污染物处理已经成为全球关注的重大问题。1976年，John.H.Carey利用TiO2作为催化剂，在光照条件下降解联苯和多氯联苯。TiO2光催化降解有机污染物的原理是当光照射TiO2的时候，TiO2的价带电子会跃迁到导带，同时产生空穴。这时TiO2表面的溶解氧会与电子结合成超氧负离子，氢氧根离子与空穴结合后与水会氧化生成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基都具有很强的氧化性，会将绝大多数的有机污染物氧化生成无污染的CO2和H2O。研究表明，TiO2具有无毒、化学性质稳定、催化活性好、氧化能力强以及使用时条件温和等优点，在水处理等方面受到了极大的重视并得到了快速发展。但目前仍然存在很多技术难题，如：1)TiO2禁带宽度较大，锐钛矿型TiO2禁带宽度为3.2ev，TiO2只有受到紫外光照射时才能形成电子-空穴对，对太阳光的吸收仅限于波长小于387.5nm的紫外区，对太阳能利用率不足3％；2)光激发产生的电子-空穴对极不稳定，如果没有适当的俘获剂或表面晶格缺陷存在，光生电子与空穴极易复合并以热量的形式释放，大大降低了光催化效率；3)常用的粉末状TiO2分离回收困难，限制了其应用。为克服上述缺陷，国内外科研工作者在TiO2中掺杂具有3d电子的过渡金属纳米粒子来改善其光催化性能，掺杂具有3d电子的过渡金属纳米粒子的TiO2不仅可产生掺杂能级和降低禁带宽度，还可以在晶格中引入缺陷位置或者改变晶格度，这样减少了电子-空穴的复合，提高了光催化效率。除了上述在材料制备上的改进，还可以通过结构上的改进来改善光催化器件性能，比如将TiO2制作成薄膜便于回收利用已成为目前研究的全新方向。研究表明，锐钛矿相TiO2薄膜与锐钛矿相TiO2粉体一样，可用于降解水中有机污染物，且TiO2薄膜的表面积越大越有助于有机污染物在其表面的吸附和光生载流子的生成，也有利于光的吸收，从而提高光催化能力。对于TiO2薄膜而言，减小晶粒有利于增大其表面积，但是如何进一步增加TiO2薄膜的比表面积，以进一步提高其光催化能力，是目前亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件及其制备方法和应用，本专利技术提供的光催化器件比表面积大，光催化效率高，且使用后光催化器件便于分离回收。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件，包括石英玻璃基底、TiO2微腔多孔层和TiO2/Cu复合薄膜，其中，所述TiO2微腔多孔层设置于所述石英玻璃基底的表面，所述TiO2微腔多孔层由TiO2微腔阵列形成，单个TiO2微腔为顶部和底部开口的球腔，且TiO2微腔顶部的开口尺寸大于底部的开口尺寸；所述TiO2微腔的底部开口处裸露的石英玻璃基底表面以及TiO2微腔表面均设置有TiO2/Cu复合薄膜，所述TiO2/Cu复合薄膜包括TiO2基体和掺杂在所述TiO2基体中的Cu纳米粒子。优选地，所述石英玻璃基底呈矩形，所述石英玻璃基底的边长为10～200mm，厚度为0.3～2.2mm，平均透光率为75～99％。优选地，所述TiO2微腔的内径为500～1500nm，厚度为150～800nm；所述TiO2微腔多孔层的比表面积为1～60m2/g。优选地，所述TiO2/Cu复合薄膜的厚度为50～200nm；所述TiO2/Cu复合薄膜中Cu与Ti的摩尔比为(0.1～10)：100，所述Cu纳米粒子的粒径为5～50nm；所述TiO2/Cu复合薄膜为晶态结构，晶粒的尺寸为10～100nm。本专利技术提供了上述技术方案所述基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件的制备方法，包括以下步骤：在石英玻璃基底的表面制备TiO2微腔多孔层，所述TiO2微腔多孔层由TiO2微腔阵列形成，单个TiO2微腔为顶部和底部开口的球腔，且TiO2微腔顶部的开口尺寸大于底部的开口尺寸；在所述TiO2微腔的底部开口处裸露的石英玻璃基底表面以及TiO2微腔表面制备TiO2/Cu复合薄膜，所述TiO2/Cu复合薄膜包括TiO2基体和掺杂在所述TiO2基体中的Cu纳米粒子，得到基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件。优选地，在石英玻璃基底的表面制备TiO2微腔多孔层包括以下步骤：将聚苯乙烯微球、水和乙醇混合，得到聚苯乙烯微球悬浊液；将所述聚苯乙烯微球悬浊液滴加于载体的表面，之后将滴加有聚苯乙烯微球悬浊液的载体的一半倾斜浸于乙醇水溶液中，滴加有聚苯乙烯微球悬浊液的载体的另一半暴露在空气中，在表面张力作用下在乙醇水溶液表面的部分区域形成聚苯乙烯微球单分散膜；在乙醇水溶液表面没有聚苯乙烯微球单分散膜的区域滴加非离子表面活性剂溶液，在非离子表面活性剂溶液中非离子表面活性剂的推动作用下，聚苯乙烯微球单分散膜在乙醇水溶液表面形成致密聚苯乙烯微球薄膜，所述致密聚苯乙烯微球薄膜由单层紧密排列的聚苯乙烯微球形成；采用石英玻璃基底将所述致密聚苯乙烯微球薄膜从乙醇水溶液表面捞出，经干燥，在石英玻璃基底的表面得到致密聚苯乙烯微球薄膜；采用原子层沉积法在所述致密聚苯乙烯微球薄膜中聚苯乙烯微球不占位置的区域沉积TiO2，形成TiO2薄膜；之后采用电感耦合等离子体刻蚀法进行刻蚀，以去除聚苯乙烯微球顶部的TiO2薄膜以及聚苯乙烯微球，在石英玻璃基底表面形成TiO2微腔多孔层。优选地，所述石英玻璃基底在使用前进行亲水处理，所述亲水处理包括：将石英玻璃基底于亲水处理溶液中浸泡2～4h；所述亲水处理溶液中溶质包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸铵、单十二烷基醚磷酸酯三乙醇胺盐和十二烷基硫酸钠中的至少一种。优选地，在所述TiO2微腔的底部开口处裸露的石英玻璃基底表面以及TiO2微腔表面制备TiO2/Cu复合薄膜包括以下步骤：将钛酸四丁酯与无水乙醇混合，得到钛酸四丁酯的乙醇溶液；将硝酸铜与乙醇混合，得到硝酸铜的乙醇溶液；将所述硝酸铜的乙醇溶液滴加至所述钛酸四丁酯的乙醇溶液中，进行水解反应，得到TiO2/Cu复合凝胶；采用浸提法在TiO2微腔的底部开口处裸露的石英玻璃基底表面以及TiO2微腔表面涂覆所述TiO2/Cu复合凝胶，形成TiO2/Cu复合凝胶膜，干燥后进行热处理，在所述TiO2微腔的底部开口处裸露的石英玻璃基底表面以及TiO2微腔表面形成TiO2/Cu复合薄膜。优选地，在所述TiO2微腔的底部开口处裸露的石英玻璃基底表面以及TiO2微腔表面制备TiO2/Cu复合薄膜时，依次重复进行浸提-干燥-热处理的步骤，重复的次数为2～3次。本专利技术提供了上述技术方案所述基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件或上述技术方案所述制备方法制备得到的基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件在光催化降解有机污染物中的应用。...

【技术保护点】
1.一种基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件，包括石英玻璃基底、TiO

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件，包括石英玻璃基底、TiO2微腔多孔层和TiO2/Cu复合薄膜，其中，所述TiO2微腔多孔层设置于所述石英玻璃基底的表面，所述TiO2微腔多孔层由TiO2微腔阵列形成，单个TiO2微腔为顶部和底部开口的球腔，且TiO2微腔顶部的开口尺寸大于底部的开口尺寸；所述TiO2微腔的底部开口处裸露的石英玻璃基底表面以及TiO2微腔表面均设置有TiO2/Cu复合薄膜，所述TiO2/Cu复合薄膜包括TiO2基体和掺杂在所述TiO2基体中的Cu纳米粒子。


2.根据权利要求1所述的基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件，其特征在于，所述石英玻璃基底呈矩形，所述石英玻璃基底的边长为10～200mm，厚度为0.3～2.2mm，平均透光率为75～99％。


3.根据权利要求1所述的基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件，其特征在于，所述TiO2微腔的内径为500～1500nm，厚度为150～800nm；所述TiO2微腔多孔层的比表面积为1～60m2/g。


4.根据权利要求1或3所述的基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件，其特征在于，所述TiO2/Cu复合薄膜的厚度为50～200nm；所述TiO2/Cu复合薄膜中Cu与Ti的摩尔比为(0.1～10)：100，所述Cu纳米粒子的粒径为5～50nm；所述TiO2/Cu复合薄膜为晶态结构，晶粒的尺寸为10～100nm。


5.权利要求1～4任一项所述基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在石英玻璃基底的表面制备TiO2微腔多孔层，所述TiO2微腔多孔层由TiO2微腔阵列形成，单个TiO2微腔为顶部和底部开口的球腔，且TiO2微腔顶部的开口尺寸大于底部的开口尺寸；
在所述TiO2微腔的底部开口处裸露的石英玻璃基底表面以及TiO2微腔表面制备TiO2/Cu复合薄膜，所述TiO2/Cu复合薄膜包括TiO2基体和掺杂在所述TiO2基体中的Cu纳米粒子，得到基于二氧化钛/铜复合薄膜的光催化器件。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在石英玻璃基底的表面制备TiO2微腔多孔层包括以下步骤：
将聚苯乙烯微球、水和乙醇混合，得到聚苯乙烯微球悬浊液；
将所述聚苯乙烯微球悬浊液滴加于载体的表面，之后将滴加有聚苯乙烯微球悬浊液的载体的一半倾斜浸于乙醇水溶液中，滴加有聚苯乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：李烨，刘儒平，孙志成，曹梅娟，辛智青，
申请(专利权)人：北京印刷学院，
类型：发明
国别省市：北京;11