郝寧華，安躍華，唐為華，王四海

(北京郵電大學(xué) 理學(xué)院 光電材料與器件實(shí)驗(yàn)室，北京 100876)

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β-Ga2O3納米線的制備及其催化性能

郝寧華，安躍華，唐為華，王四海

(北京郵電大學(xué) 理學(xué)院 光電材料與器件實(shí)驗(yàn)室，北京 100876)

摘要：使用磁控濺射方法制備了β-Ga2O3納米線，并研究了催化性能. 制備的樣品具有很好的結(jié)晶度，衍射峰位對應(yīng)β相Ga2O3. β-Ga2O3納米線形貌為圓錐狀，表面粗糙. 226 nm左右有明顯的Ga2O3吸收峰，同時在512 nm左右也有明顯的催化劑Au的吸收峰. 稱取0.35 mg的β-Ga2O3納米線樣品，加入300 mL 濃度為10-5mol/L的亞甲基藍(lán)溶液中，反應(yīng)2 h，降解率達(dá)到76.7%.

關(guān)鍵詞：β-Ga2O3納米線；光催化氧化；降解率；亞甲基藍(lán)

“第12屆全國高等學(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文

資助項(xiàng)目：北京郵電大學(xué)大學(xué)生研究創(chuàng)新基金資助(No.233)；北京市共建項(xiàng)目資助

指導(dǎo)教師：唐為華(1965-)，男，江蘇鹽城人，北京郵電大學(xué)理學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)楣怆姴牧吓c器件.

日益嚴(yán)重的水體污染已經(jīng)威脅到有關(guān)地區(qū)人們的日常生活. 亞甲基藍(lán)為印染廢水中典型的有機(jī)污染物之一，對其進(jìn)行降解和脫色是印染污水治理的重要任務(wù)之一. 光催化技術(shù)[1-3]因操作簡便、去除率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于廢水有機(jī)污染物的處理中.

相對于AlGaN, ZnMgO和金剛石這些常用寬禁帶半導(dǎo)體材料，Ga2O3具有更優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，較高的紫外可見光透過率使得它成為一種非常有前景的紫外/深紫外光電子器件氧化物半導(dǎo)體材料. 在所有鎵的單一氧化物中，三價的β-Ga2O3最為穩(wěn)定，它是直接帶隙寬禁帶N型半導(dǎo)體氧化物，在光電器件、高溫及高功率電子器件、高溫穩(wěn)定氣體傳感器和非均相光催化上均有多方面應(yīng)用. 對β-Ga2O3納米線的物理化學(xué)特性及結(jié)構(gòu)性能的研究可為納米器件的研制和實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[4].

β-Ga2O3光催化劑不僅能將活性的水分解成O2和H2，也能降解空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物. 低價態(tài)的Ga2O3較之TiO2具有更好的氧化性能. 關(guān)于應(yīng)用氧化鎵進(jìn)行光催化氧化污染物的用途已有一些報(bào)道[5]，本文采用射頻磁控濺射[6-7]的物理方法制備出β-Ga2O3納米線，研究β-Ga2O3納米線對于亞甲基藍(lán)的光催化活性.

1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用沈陽科友真空技術(shù)研究所研制的MS500B高真空多靶磁控濺射系統(tǒng)，在Si基底上制備出了β-Ga2O3納米線. 生長機(jī)理如圖1所示，采用Au作為催化劑生長β-Ga2O3納米線. 在Si襯底的(111)面上常溫濺射Au薄膜，由于此時Au納米粒子[8]處于液態(tài)，所以更容易捕獲周圍的生成物氣體分子，于是形成了如圖1所示的小滴Au-Si低熔點(diǎn)共溶合金，之后濺射β-Ga2O3薄膜. 當(dāng)β-Ga2O3在合金中的溶解達(dá)到過飽和，不斷地從固-液界面端析出，形成一維納米材料.

圖1　納米線形成的原理圖

因納米線的生長條件苛刻，基底表面的平整度和清潔度都會影響納米線的生長，因此基片的清洗工作采用的步驟如下：將基底浸沒在裝有去離子水的清潔燒杯中，基底正面朝上，超聲清洗5 min；隨后取出基底浸入丙酮溶液中，超聲清洗15 min；取出基底，浸入乙醇溶液中，超聲清洗10 min；最后將基底浸沒在去離子水中，超聲清洗5 min；隨后用N2氣槍吹干，完成清洗工作.

實(shí)驗(yàn)所選擇的靶材是純度為99.99 % 的氧化鎵的陶瓷靶材. 將清洗好的基底固定在樣品托上，抽真空達(dá)到1.0×10-4Pa 以下；通入Ar，調(diào)節(jié)濺射氣壓為0.8 Pa，氣流量控制在22 mL/min，然后在750 ℃下退火0.5 h，濺射Au時間為20 s，隨后加熱基底溫度達(dá)到750 ℃，濺射Ca2O31 h，靶基距為5 cm，濺射功率設(shè)定為80 W，隨后用清洗的方式充入O2至氣壓為103Pa，保持0.5 h后，自然降溫，完成樣品的制備.

通過切割刮下基片上的β-Ga2O3納米線，稱取0.35 mg的β-Ga2O3納米線樣品，加入300 mL 濃度為10-5mol/L的亞甲基藍(lán)溶液中，攪拌均勻后置入反應(yīng)器；待其在催化劑表面及反應(yīng)器內(nèi)壁達(dá)到吸附平衡，啟動反應(yīng)；每隔一定時間(15 min)取樣檢測.

2結(jié)果與討論

圖2為所制備的Ca2O3樣品的XRD圖譜，可以看出合成的樣品有很好的結(jié)晶度，樣品衍射峰峰位對應(yīng)于β相Ca2O3. 制備的Au納米粒子為立方晶系結(jié)構(gòu)，圖中有3個峰分別對應(yīng)該卡片庫中Au(111)，(200)和(220)晶面的特征峰.

圖2　β-Ga2O3納米線的XRD圖譜

不同襯底上生長的納米線形狀與長短不同. 圖3為制備的Ca2O3樣品的SEM圖，可以看出，樣品為Ca2O3納米線，形貌為圓錐狀，表面粗糙，從而可以增加其比表面積，使之更大面積地接觸到亞甲基藍(lán)溶液，長度為500 nm左右，寬度為40~100 nm，相互交錯.

在納米線頂端有“小帽”，這是Au納米顆粒，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中納米線的生長機(jī)理，可以證實(shí)這一機(jī)理，即Au納米粒子是催化劑，在有Au納米粒子處Ga2O3積聚較快，所以會生成Ga2O3納米線.

(a)

(b)圖3　β-Ga2O3納米線的SEM圖

Ca2O3為寬禁帶半導(dǎo)體氧化物，制備的Ca2O3納米線樣品的吸收譜如圖4所示. 從圖4可以看到在226 nm左右有明顯的Ca2O3吸收峰，同時在512 nm左右也有明顯的作為催化劑的Au的吸收峰.

圖4　β-Ga2O3納米線的吸收譜

在波長為404.66 nm的紫外高壓汞燈的照射下，將制備的β-Ga2O3納米線放入亞甲基藍(lán)溶液中，圖5為從反應(yīng)開始2 h的降解情況. 其中橫坐標(biāo)是反應(yīng)時間，縱坐標(biāo)是降解程度. 從圖中可以看到，在β-Ga2O3納米線催化劑的作用下，僅反應(yīng)2 h，降解率就已經(jīng)達(dá)到76.7%. 反應(yīng)速率較快，降解率較高，且具有明顯的繼續(xù)降解趨勢. 采用此樣品，使用少量便可以達(dá)到很高的降解率，展現(xiàn)出很好的作為清潔水污染的催化劑的前景.

圖5　Ga2O3納米線在亞甲基藍(lán)溶液的降解曲線

3結(jié)束語

采用磁控濺射的方法合成了圓錐狀的Ca2O3納米線，微量的樣品表現(xiàn)出很好的催化活性，反應(yīng)2 h降解率便達(dá)到76.7 %，并且具有很明顯的繼續(xù)降解趨勢，其能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)值[9]. 清晰地表現(xiàn)出了利用極少的樣品可以做到清潔大量的污染，極具應(yīng)用前景.

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：任德香]

Growth of β-Ga2O3thin film and its photocatalytic oxidation

HAO Ning-hua, AN Yue-hua, TANG Wei-hua, WANG Si-hai

(Laboratory of Optoelectronic Materials and Devices, School of Science,

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Abstract:β-Ga2O3nanowires were prepared via magnetron sputtering, their photocatalytic oxidation properties were studied. The sample had good crystallinity, and the diffraction peaks corresponded to β-Ga2O3. The morphology of the Ga2O3nanowire was cone shape with rough surface. The absorption peak of Ga2O3lay in 226 nm, while the obvious absorption peak of the Au catalysts lay in 512 nm. 0.35 mg β-Ga2O3nanowire was added to 300 mL 10-5mol/L methylene blue solution, the degradation rate was 76.7% in 2 hours.

Key words:β-Ga2O3nanowires; photocatalytic oxidation; degradation rate; methylene blue

作者簡介：郝寧華(1995-)，女，山東招遠(yuǎn)人，北京郵電大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)2013級本科生.

收稿日期：2015-11-01；修改日期：2015-12-25

中圖分類號：O484

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)02-0007-03