本發(fā)明涉及光催化材料，具體涉及一種基于六方氮化硼/二氧化鈦異質(zhì)結(jié)摻雜材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著快速工業(yè)化時(shí)代為人們的生活提供便利的同時(shí)，化石能源的過(guò)度消耗造成了能源危機(jī)和環(huán)境污染，其中，水污染是環(huán)境污染的主要問(wèn)題之一，而解決水污染問(wèn)題較為理想的方法是采用半導(dǎo)體光催化技術(shù)，半導(dǎo)體光催化技術(shù)作為一種綠色、高效的治理方法，但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中面臨能耗高、制造昂貴的關(guān)鍵問(wèn)題，因此，如何提高光吸收效率是目前重要的研究方向之一。

2、二氧化鈦（）是一種常見的光催化材料，其獨(dú)特的光催化性能不僅受到其固有的物理化學(xué)特性影響，而且還受到二氧化鈦（）顆粒形態(tài)和結(jié)構(gòu)性能影響，但其寬帶限制了其對(duì)可見光的利用效率，二氧化鈦（）僅對(duì)紫外光有響應(yīng)，而太陽(yáng)光中紫外光僅占5%。故而，如何提高材料的光吸收能力和載流子遷移速率，是目前提升光催化性能所面臨的重要問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種基于六方氮化硼/二氧化鈦異質(zhì)結(jié)摻雜材料，所述基于六方氮化硼/二氧化鈦異質(zhì)結(jié)摻雜材料可以提高材料在紫外光范圍內(nèi)的光吸收效率。

2、本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種基于六方氮化硼/二氧化鈦異質(zhì)結(jié)摻雜材料的制備方法。

3、本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是：

4、一種基于六方氮化硼/二氧化鈦異質(zhì)結(jié)摻雜材料，由h-bn與形成異質(zhì)結(jié)；并在異質(zhì)結(jié)中分別摻雜n元素、fe元素、f元素，其中，摻雜的n元素、fe元素、f元素的濃度分別為0.1-3at%、0.05-2at%、0.1-3at%。

5、優(yōu)選的，所述h-bn與所述的質(zhì)量比為1:1到1:5。

6、一種基于六方氮化硼/二氧化鈦異質(zhì)結(jié)摻雜材料的制備方法，包括以下步驟：

7、步驟s1：采用化學(xué)氣相沉積方法在硅基襯底上生長(zhǎng)出若干層h-bn薄膜；

8、步驟s2：采用原子層沉積法在h-bn薄膜表面沉積薄膜；

9、步驟s3：采用離子注入法或熱處理法分別將n元素、fe元素、f元素引入異質(zhì)結(jié)中，摻雜的n元素、fe元素、f元素的濃度分別為0.1-3at%、0.05-2at%、0.1-3at%；

10、步驟s4：在惰性氛圍中于300℃-600℃退火1-3小時(shí)，直至使摻雜元素均勻分布并修復(fù)晶體缺陷。

11、優(yōu)選的，在步驟s1中，所述化學(xué)氣相沉積方法的步驟為：

12、步驟s11：將銅箔裁剪成2cm×2cm大小，依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗10分鐘，去除表面污染物；

13、步驟s12：將清洗后的銅箔放入cvd反應(yīng)爐中，抽真空至pa，然后通入氫氣作為載氣，流量為50sccm，加熱至1000℃，保持30分鐘，使銅箔表面清潔并活化；

14、步驟s13：通入由硼源和氮源構(gòu)成的前驅(qū)氣體，生長(zhǎng)h-bn薄膜，時(shí)間為1h；

15、步驟s14：生長(zhǎng)完成后，關(guān)閉前驅(qū)氣體，在氫氣氣氛中冷卻至室溫；

16、步驟s15：使用濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)將h-bn薄膜轉(zhuǎn)移到襯底上。

17、優(yōu)選的，在步驟s1中，制備出h-bn薄膜的厚度為1nm-10nm。

18、優(yōu)選的，在步驟s2中，所述原子層沉積法的步驟為：

19、步驟s21：將步驟s15中制備得到的樣品放入ald反應(yīng)腔中，加熱至150℃-300℃；

20、步驟s22：使用鈦源和氧源進(jìn)行沉積，重復(fù)200個(gè)循環(huán)，得到厚度為10nm-50nm的薄膜，其中，每個(gè)循環(huán)包括以下步驟：

21、通入鈦源，使其吸附在h-bn薄膜的表面；

22、用惰性氣體吹掃，去除未反應(yīng)的鈦源；

23、通入氧源，使其與吸附的鈦源反應(yīng)生成；

24、再次使用惰性氣體吹掃，去除副產(chǎn)物和未反應(yīng)的氧源。

25、優(yōu)選的，在步驟s2中，所述薄膜的厚度為20nm。

26、優(yōu)選的，在步驟s3中，所述離子注入法的步驟為：

27、步驟s31：將樣品放入離子注入設(shè)備中，分別注入氮源、鐵源和氟源，其中，氮源的注入能量為30kev，注入劑量為ions/cm2；鐵源的注入能量為50kev，注入劑量為ions/cm2；氟源的注入能量為20kev，注入劑量為ions/cm2；

28、步驟s32：注入完成后，取出樣品。

29、優(yōu)選的，在步驟s4中，所述的退火過(guò)程為：

30、步驟s41：將摻雜后的樣品放入管式爐中，通入惰性氣體或還原性氣體作為保護(hù)氣體；

31、步驟s42：以5℃/min的速率升溫至500℃，保持2h；

32、步驟s43：退火完成后，以5℃/min的速率降溫至室溫。

33、一種基于六方氮化硼/二氧化鈦異質(zhì)結(jié)摻雜材料在光催化反應(yīng)中的應(yīng)用，所述光催化反應(yīng)包括水分解制氫、污染物降解和二氧化鈦還原。

34、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

35、1、本發(fā)明中由于h-bn具有高化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、寬帶隙、生物相容性和環(huán)境友好性，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)光催化材料的不足，通過(guò)與構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，可以調(diào)控能帶，拓寬光吸收范圍，增強(qiáng)光吸收能力；其次，由于能帶結(jié)構(gòu)差異形成的內(nèi)建電場(chǎng)，光生電子會(huì)從的導(dǎo)帶遷移到h-bn的導(dǎo)帶，光生空穴會(huì)從h-bn的價(jià)帶遷移到的價(jià)帶，這樣可以提高光生載流子的分離效率，從而顯著提高光催化材料的光吸收效率和催化活性。

36、2、本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建層狀的異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料，可以提高材料在紫外光范圍內(nèi)的光吸收效率，通過(guò)在中摻雜n元素、fe元素、f元素，可以提高電子和空穴的遷移速率，從而促進(jìn)氧化還原反應(yīng)，對(duì)進(jìn)一步提高光催化劑在污水治理中的應(yīng)用效果提供參考意義。

37、3、本發(fā)明在中摻雜n元素、fe元素、f元素都有其特定的作用，能夠從不同方面提升材料的電子結(jié)構(gòu)、光吸收能力和催化活性，具體為：

38、（1）、摻雜n元素具有以下優(yōu)點(diǎn)：

39、首先可以提高光催化效率：n離子摻雜在的禁帶中引入缺陷能級(jí)，縮小帶隙，促進(jìn)使光生載流子躍遷到對(duì)應(yīng)能帶上能量降低；其次可以改善光吸收：帶隙較寬(3.84ev)，只能吸收紫外光(占太陽(yáng)光的5%左右)，摻雜n元素后，材料能夠吸收可見光(占太陽(yáng)光的43%左右)，從而顯著提高太陽(yáng)光的利用率；最后是提高材料的導(dǎo)電性：n元素作為n型摻雜劑，可以增加自由電子(光生載流子)濃度，以此提高材料的導(dǎo)電性，從而促進(jìn)光催化反應(yīng)。

40、（2）、摻雜fe元素具有以下優(yōu)點(diǎn)：

41、首先提高光催化效率：fe離子(/)摻雜會(huì)在禁帶中引入中間能級(jí)，促進(jìn)光生載流子的躍遷，減少載流子的復(fù)合，從而提高光催化的效率；其次可以增強(qiáng)磁性：fe離子摻雜可能賦予材料磁性，便于催化劑的回收和再利用；最后是提高催化活性，fe離子可以作為活性點(diǎn)位，參與光催化反應(yīng)，加速光催化反應(yīng)的進(jìn)行。

42、（3）、摻雜f元素具有以下優(yōu)點(diǎn)：

43、首先可以提高光催化效率：f離子具有較高的電負(fù)性，能夠與材料表面的ti原子和b原子形成強(qiáng)鍵，能夠填補(bǔ)材料表面的o空位或其他缺陷，摻雜f離子可以修飾材料表面，減少表面缺陷，從而抑制載流子復(fù)合，從而延長(zhǎng)載流子壽命。其次是提高材料耐久性：f離子能夠與材料表面形成強(qiáng)鍵，抑制材料在光催化反應(yīng)中的光腐蝕現(xiàn)象，增強(qiáng)表面的化學(xué)穩(wěn)定性，使材料能夠在長(zhǎng)時(shí)間的光催化反應(yīng)中保持高效性能。