异质结构纳米光催化薄膜及其制备方法 (一)技术领域
本发明涉及一种异质结构纳米光催化薄膜及其制造方法，属于化工技术领域。
(二)背景技术
纳米TiO2光催化剂作为新一代的环境净化材料，在污水处理、室内外空气净化、自洁净等方面已得到人们的广泛关注。同时由于粉末状光催化剂是在悬浮体系中进行，存在易失活、易团聚、难回收等缺点，使人们将光催化研究的重点转移到新型光催化薄膜的制备上。目前纳米光催化薄膜的制备过程大都采用在衬底上直接涂覆，形成同质的多层薄膜。这种直接涂覆的制膜方法往往使与衬底结合处的粒子活性减小，光生载流子的形成与传输受到限制，从而使薄膜的光催化活性和使用寿命降低，并且膜表面易开裂，附着力较差。如何改善薄膜的光催化效率和膜的质量已成为本领域的研究重点，但目前大都着眼于催化剂的固载技术方面，例将纳米TiO2固载于二氧化硅与三氧化二铝颗粒上，用甲基三甲氧基硅烷将TiO2固载于空心的陶瓷微球上等等。这些方法虽然对于提高光催化剂的利用率起到了一定的作用，但薄膜的均匀性较差，其光催化活性提高幅度不明显。
(三)发明内容
为了解决现有技术存在的薄膜光催化活性和使用寿命降低、膜表面易开裂、附着力差等问题，本发明设计出一种异质结构纳米光催化薄膜及其制备方法。目的是提高薄膜的光催化降解效率和膜的质量。根据光催化反应机理，粒子表面产生的OH·自由基对光催化活性起着决定性的作用。设想在光催化薄膜与衬底之间引入过渡层，形成具有异质结构的纳米薄膜。因为适宜的过渡层可以具有两方面的作用：其一与TiO2形成地界面结构可以通过诱导作用提高光生载流子的浓度，促进粒子表面的羟基化；另外适宜的过渡层组分能够抑制光催化剂的晶粒长大从而容易得到尺寸很小的纳米晶薄膜。
本发明是由如下技术方案实现的：
这种异质结构纳米光催化薄膜是由衬底、过渡层、光催化层组成的，其中过渡层设计为钛酸盐ZrTiO4，SrTiO4，BaTiO4，PbTiO4，异质结构纳米光催化薄膜的结构见附图。
异质结构的纳米光催化薄膜可以显著提高光催化活性和膜的质量，其制备步骤如下：
(1)以溶胶-凝胶工艺、旋涂法制膜，其中制备的溶胶黏度为(1.0～2.5)×10-3(N.S/m2)，匀胶速度3000～4000rpm，匀胶时间30～50秒；
(2)旋涂法制膜：过渡层为1～3层；光催化层为2～6层，薄膜厚度为80～200nm；
(3)薄膜的热处理制度：干燥温度60℃～100℃，烧制温度450℃～600℃，升温速率2～5℃/min；保温时间60～120min。
采用本发明技术制备的异质结构纳米薄膜具有以下优点：(1)过渡层能够明显抑制光催化剂的晶粒长大，使得很容易获得平均粒径D小于40nm的纳米晶薄膜，这为提高薄膜的光催化能力创造了条件。因为小的粒子尺寸可以增加光生载流子的浓度和扩散速度、减少电子和空穴的复合几率，以促进薄膜表面的羟基化。(2)光催化降解率平均提高30％以上，接近甚至高于TiO2P25薄膜。以气相色谱法测得降解苯酚水溶液的测试结果见表1。由过渡层形成的纳米尺寸效应是非常有效的，另外，适宜的过渡层和TiO2表面层形成的界面结构，可以通过晶格畸变、诱导作用提高粒子的催化活性和反应能力。(3)薄膜黏附情况良好，连续使用4次不脱落，抗失活稳定性同时增强。(4)可见光波长范围内的降解能力增强，这对于提高光催化材料在可见光范围的利用率意义重大。
表1异质结构薄膜降解苯酚水溶液的降解率η(％)
η0.5 η1.0 η1.5 η2.0 η平均
TiO2 18.0 20.5 29.3 37.6 26.4
TiO2/ZrTiO4 29.1 35.1 45.9 48.3 39.6
TiO2/SrTiO4 25.5 36.2 40.0 46.9 37.1
TiO2/SiO2 31.1 37.6 44.2 52.5 41.3
TiO2P25 28.5 35.0 45.1 46.5 38.8
注：30W紫外光源，照射距离6cm。照射时间0.5h，1.0h，1.5h，2.0h，降解率分别为η0.5，η10，η1.5，η2.0。
(四)附图说明
图1是异质结构纳米光催化薄膜的结构示意图。图中.1.衬底，2.过渡层，3.光催化层。
(五)具体实施方式
实施例1
选择SrTiO4为过渡层组分，TiO2为表面光催化层组分。两者的溶胶黏度均为2.5×10-3(N.S/m2)，匀胶速度3000rpm；过渡层1层；表面光催化层2层；薄膜厚度80nm；干燥温度60℃；烧制温度450℃；升温速率2℃/min；保温时间60min。
实施例2
选择ZrTiO4为过渡层组分，TiO2为表面光催化层组分。两者的溶胶黏度均为2.5×10-3(N.S/m2)，匀胶速度3200rpm；过渡层2层；表面光催化层3层；薄膜厚度150nm；干燥温度80℃；烧制温度550℃；升温速率3℃/min；保温时间100min。
实施例3
选择PbTiO4为过渡层组分，掺La3+的TiO2为表面光催化层组分。两者的溶胶黏度均为2.0×10-3(N.S/m2)，匀胶速度4000rpm；过渡层3层；表面光催化层6层；薄膜厚度200nm干燥温度100℃；烧制温度500℃；升温速率5℃/min；保温时间120min。