氧化鉍薄膜的制備及光催化性能研究_圖文

1、氧化鉍薄膜的制備及光催化性能研究*王留剛,張俊英,李春芝,楊靖安(北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院材料物理與化學(xué)研究中心,北京100191摘要:采用磁控濺射制備了氧化鉍薄膜,研究了制備工藝對薄膜的結(jié)構(gòu)、微觀形貌和光學(xué)性能的影響,并對樣品進行了光催化性能評價。結(jié)果表明,氧氬比和退火溫度顯著影響薄膜的性能。當(dāng)氧氬比為2080時獲得的薄膜具有最佳光催化性能;隨退火溫度升高,薄膜結(jié)晶性增強,并逐漸出現(xiàn)B i和S i的氧化物,經(jīng)500退火的薄膜具有最強的光催化活性。關(guān)鍵詞:氧化鉍;磁控濺射;氧氬比;熱處理;光催化中圖分類號:O612.5;O484文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-9731(201

2、102-0355-041引言氧化鉍因具有高的反射系數(shù)和介電常數(shù),顯著的光電性能以及容易光激發(fā)等特性深受關(guān)注,廣泛應(yīng)用于電子陶瓷材料、電解質(zhì)材料、光電材料、高溫超導(dǎo)材料、催化劑、核廢物吸收材料、顯像管蔭罩涂層、無毒煙花、固體氧化物燃料電池、氧氣傳感器、變阻器、電致變色等領(lǐng)域1-3。近年來,氧化鉍作為一種新型光催化劑倍受關(guān)注,其常溫下的禁帶寬度為2.8e V,可被可見光激發(fā)。由于其廣譜特性,氧化鉍可以礦化多種有機物,在實際污水處理中具有重大意義4,5。目前制備氧化鉍的方法主要有:化學(xué)沉淀法6、固相合成法7、聲化學(xué)方法8、溶膠-凝膠法9、化學(xué)水浴沉積10、水熱法11等。大部分研究人員把精力集中在粉體

3、制備上,而有關(guān)薄膜的制備則很少被報導(dǎo)。在實際應(yīng)用過程中,需要考慮催化劑回收和重復(fù)利用問題,薄膜在這方面具有其獨特優(yōu)勢。磁控濺射相對于其它薄膜制備方法具有制備成本、溫度低,薄膜的結(jié)合力、均勻性和致密性均較好等優(yōu)點12,13。本文采用了直流反應(yīng)濺射的方式制備氧化鉍薄膜,通過改變?yōu)R射參數(shù)研究非晶氧化鉍的光學(xué)性能及光催化性能;然后對氧化鉍薄膜進行熱處理,研究其結(jié)構(gòu)和表面形貌變化及熱處理溫度對光催化性能的影響規(guī)律,獲得氧化鉍薄膜最佳制備工藝參數(shù)。2實驗2.1樣品制備氧化鉍薄膜采用P M500/F V磁控濺射系統(tǒng)制備,濺射方式為直流反應(yīng)濺射。靶材選用金屬鉍靶(靶材直徑60m m,厚度5m m,純度99.9

4、99%,襯底選用石英玻璃。在制備氧化鉍薄膜之前要對襯底進行清洗:首先在濃硫酸和雙氧水(101中加熱煮沸,去除表面污染物,然后將其放入丙酮溶液中超聲處理,最后用去離子水沖洗干凈,放在70的烘箱中烘干備用。磁控濺射的參數(shù)如表1。表1磁控濺射參數(shù)T a b l e1L i s to fs p u t t e r i n gp a r a m e t e r濺射參數(shù)反應(yīng)氣體O2氬氣流量(m L/m i n5090反應(yīng)氣體流量(m L/m i n1050濺射氣壓(P a1濺射功率(W80靶基距(m m70濺射時間(s153002.2樣品表征使用D/m a x-2200p c型X射線衍射儀分析樣品的物相組

5、成,掃描范圍2為560°采用H I T A C H I S4200型掃描電子顯微鏡表征樣品的表面形貌,工作電壓為20k V;利用H I T A C H IU V-3010紫外-可見分光光度計對樣品進行光學(xué)透過性能的檢測;分別使用V e e c oD e k t a k6M臺式輪廓儀(臺階儀和輻照計F Z-A對薄膜的厚度與照射到樣品表面的光強進行測試。2.3光催化活性評價光催化性能以氙燈照射下的羅丹明B(R h.B的降解速率來表征。光源選用功率為300W的氙燈,照射到樣品表面的可見光強為150mW/c m2。以R h.B 溶液在波長554n m處的吸光度來表征R h.B溶液的濃度。將薄

6、膜樣品(30m m×15m m×1m m放入裝有5m L的R h.B溶液(10m g/L的石英槽(35m m×20m m×20m m中進行催化反應(yīng),最后用紫外-可見分光光度計測試溶液在554n m處的吸光度。以原始溶液作為參比樣,計算催化降解效率,公式如下:=c0-c tc0×100%(1式中,為降解率;c0為降解前R h.B溶液的吸光度;ct為降解后的吸光度。通過剩余R h.B的濃度評價薄膜的光催化活性強弱。*基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃資助項目(2009A A03Z428收到初稿日期:2010-06-14收到修改稿日期:20

7、10-12-15通訊作者:張俊英作者簡介:王留剛(1985-,男,山東菏澤人,在讀碩士,師承張俊英研究員,從事半導(dǎo)體光催化材料的研究。3實驗結(jié)果與討論3.1濺射時間對氧化鉍薄膜的影響首先研究了氧化鉍薄膜厚度隨濺射時間的變化規(guī)律。圖1(a是在濺射功率為50W、氧氣分壓為20%時,薄膜厚度隨濺射時間的變化曲線。從圖中可以得出薄膜厚度與濺射時間基本上成線性關(guān)系。計算可得氧化鉍薄膜的沉積速率約為120n m/m i n。圖1(b是不同濺射時間所得薄膜的透過譜,從譜線可以看出,隨著薄膜的厚度增加,透過性能降低,吸收譜線整體紅移,而且有干涉峰的出現(xiàn)。磁控濺射制備的氧化鉍薄膜的厚度(a及 其不同氧氬比時制備

8、的氧化鉍薄膜的光催 化圖3經(jīng)不同溫度退火后氧化鉍薄膜的透過譜退火溫度繼續(xù)升高,達到700時薄膜主要由B i2O2S i O3(J C P D S75-1483構(gòu)成,并有少量B i2S i2O4O (J C P D S80-0627雜相存在。退火溫度達到800時,薄膜由B i4S i3O12組成。B i4S i3O12作為一種閃爍陶瓷材料可以在紫外區(qū)被激發(fā)14。隨著退火溫度的不斷升高,襯底中的硅元素與氧化鉍薄膜發(fā)生反應(yīng),這個實驗結(jié)果和S.W.K a n g等所得結(jié)果一致15。這也解釋了在透過譜中干涉峰增多的現(xiàn)象:較高溫度下的熱處理使氧化鉍與石英襯底反應(yīng)生成了新的物相,導(dǎo)致了薄膜厚度增加。圖420

9、0、300、500、700、800退火處理后以及未退火的氧化鉍薄膜的X R D 譜圖5氧化鉍薄膜經(jīng)過不同溫度退火后的S E M表征F i g5S E Mi m a g e so fb i s m u t hf i l m st r e a t e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s從圖6中可以看出,隨著退火溫度的升高薄膜的催化性能呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢:500達到最佳值,繼續(xù)升高退火溫度,樣品的催化性能迅速下降。變化的原因主要有以下幾個方面。首先隨著退火溫度的升高,氧化鉍薄膜的結(jié)晶性能提高,使得樣品的光催化性能提高。其次,當(dāng)退火溫度達到500時,從X R D 圖譜分析可知襯底中的S i O2擴散到薄膜樣品中。少量S i可能替代B i的位置形成S i4+摻雜可以使得氧化鉍薄膜晶格發(fā)生畸變,抑制晶粒的長大,提高光催化效率16,17。另外,當(dāng)S i 4+摻雜量達到飽和時,開始形成了第二相B i 2O 2S i O ,其與氧化鉍構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu),提高樣品中光生電子和空穴的分離,從而提高光催化性能4。當(dāng)退火溫度達到700后,薄膜的主要成分為B i 2O