Установка для получения фотокатализатора
Применение: получение фотокатализаторов.
Сущность: установка для получения фотокатализатора, содержащая устройство для внедрения в соединения титана химических элементов, причем устройство для внедрения в соединения титана химических элементов выполнено в виде двух ионных имплантеров, один - на основе тлеющего разряда низкого давления в магнитном поле для имплантации газовых ионов, второй - на основе дуги с катодным пятном для имплантации ионов металлов, а установка дополнительно содержит вакуумную имплантационную камеру и связанный с ней турбомолекулярный насос.
Технический результат: возможность получения фотокатализатора с заданной шириной энергетической щели.
Полезная модель относится устройствам получения фотокатализаторов, особо фотокатализаторов на базе тройных и четверных композиций кристаллических полупроводниковых систем с заданной шириной энергетической щели, предназначенных для использования в устройствах солнечной водородной энергетики.
Известен способ получения фотокатализатора на основе нанокристаллического диоксида титана (Патент РФ 2408427, МПК B01J 37/08, C01G 23/053, B01D 53/86, B01J 21/06, C02F 1/30, В82В 3/00) и набор оборудования (установка), необходимый для его реализации, обеспечивающий следующие действия: приготовление водного раствора сульфата титанила с концентрацией 0,1-1,0 моль/л, добавление в раствор кислоты до получения концентрации 0,15-1 моль/л с последующим гидролизом полученного раствора в гидротермальных условиях при температуре в диапазоне 100-250°С в течение 0,5-24 часа и последующем высушиванием полученной суспензии пористого диоксида титана. В результате по известному способу получают фотокатализатор в форме мезопористых частиц, с высокой удельной поверхностью, что усиливает его фотокаталитическую активность. Однако, известный способ получения фотокатализатора и набор оборудования (установка), необходимого для его реализации, не обеспечивают получения фотокатализатора с заданной шириной энергетической щели.
Известен способ получения фотокатализатора на основе нанокристаллического диоксида титана (Патент РФ 2408428, МПК B01J 37/34, B01J 21/06, C02F 1/30, В82В 3/00, B01J 37/08, C01G 23/053, B01D 53/86) и набор оборудования (установка), необходимый для его реализации, обеспечивающий следующие действия: приготовление водного раствора сульфата титанила с концентрацией 0,1-1,0 моль/л, добавление в раствор кислоты до получения концентрации 0,15-1 моль/л с последующим гидролизом полученного раствора в гидротермальных условиях с одновременной обработкой раствора микроволновым излучением при температуре в диапазоне 100-250°С в течение 0,5-24 часов и последующим высушиванием полученной суспензии пористого диоксида титана. В результате по известному способу получают фотокатализатор в форме мезопористых частиц с высокой удельной поверхностью, что усиливает его фотокаталитическую активность. Однако, известный способ получения фотокатализатора и набор оборудования (установка), необходимого для его реализации, не обеспечивают получения фотокатализатора с заданной шириной энергетической щели.
Известна установка для комбинированной ионно-плазменной обработки материалов (Пат. 2425173, МПК С23С 14/02, С23С 14/22, С23С 14/56, С23С 14/58, В82В 3/00). Установка содержит вакуумную цилиндрическую камеру с загрузочной дверью и фланцами для установки технологических модулей, позволяющих осуществлять комплексную обработку деталей в одном технологическом цикле работы установки. Размеры вакуумной камеры позволяют обрабатывать длинномерные детали. Использование в установке протяженных источников металлической плазмы и электродуговых испарителей, а также форма камеры обеспечивают равномерную и качественную обработку деталей. Установка снабжена высокоэнергетическими источниками для ионной имплантации газа и высокоэнергетическими источниками металлической плазмы, что в сочетании с другими ионно-плазменными и ионно-имплантационными устройствами позволяет получать наноструктурированные и нанослойные покрытия. Однако известная установка не предназначена для получения фотокатализаторов с заданной шириной энергетической щели.
Наиболее близким к заявляемому является установка для получения фотокатализатора, работающая по известному способу (Патент РФ 2380318, МПК C01G 23/047, B01J 21/06, B01J 27/20, С09С 1/36) и содержащая устройство для внедрения в соединения титана (с удельной площадью поверхности, по меньшей мере, 50 м2/г по методу BET) химических элементов, в частности, углеродсодержащего вещества (в концентрации от 0,05 до 4 мас.%.) путем тщательного смешивания и устройство для термической обработки полученной смеси при температуре, не превышающей 400°С. Полученный на такой установке и таким образом фотокатализатор имеет повышенную активность при дневном свете. Однако сам способ получения фотокатализатора и установка, реализующая его, хотя и изменяют ширину запрещенной зоны исходного материала (соединения титана), не позволяют вести получение фотокатализатора с наперед заданной шириной энергетической щели.
Задачей полезной модели является разработка установки для получения фотокатализатора с заданной шириной энергетической щели на базе тройных и четверных композиций кристаллических полупроводниковых систем на основе соединений титана (в основном диоксида титана).
Задача решается за счет того, что предлагаемая установка для получения фотокатализатора содержит устройство для внедрения в соединения титана химических элементов, выполненное в виде двух ионных имплантеров, один - на основе тлеющего разряда низкого давления в магнитном поле для имплантации газовых ионов, второй - на основе дуги с катодным пятном для имплантации ионов металлов, а установка дополнительно содержит вакуумную имплантационную камеру и связанный с ней турбомолекулярный насос.
Предлагаемая установка содержит устройство для внедрения в соединения титана химических элементов, выполненное в виде двух ионных имплантеров, один - на основе тлеющего разряда низкого давления в магнитном поле для имплантации газовых ионов, второй - на основе дуги с катодным пятном для имплантации ионов металлов. Для выполнения процедуры имплантации установка содержит также вакуумную имплантационную камеру и соединенный с ней турбомолекулярный насос.
Физические принципы получения фотокатализатора с заданной шириной энергетической щели, реализуемые на предлагаемой установке, заключаются в изменении электронной структуры образца исходного материала (соединения титана) после соответствующей имплантации в него ионов различных элементов (в требуемых концентрациях), обеспечивающих равномерное по поверхности изменение ширины запрещенной зоны исходного образца. Выбор типа имплантируемых ионов и их концентрация производятся с учетом желаемой ширины энергетической щели на основании предварительных расчетов, либо на основании ранее проведенных экспериментов по получению фотокатализаторов.
Предлагаемая установка работает следующим образом. Перед началом процедуры создания фотокатализатора в имплантационную камеру помещают образец соединения титана и включают турбомолекулярный насос для создания безмасленного вакуума на уровне не ниже 10 -6 атм. Наличие вакуума является обязательным условием для правильного функционирования имплантеров. После этого выбирают необходимые для имплантации ионы (в зависимости от необходимого значения ширины энергетической щели у фотокатализатора) и включают один или оба имплантера: имплантер на основе тлеющего разряда низкого давления в магнитном поле используют для имплантации ионов газа (если такие были выбраны для имплантации в конкретном эксперименте), имплантер на основе дуги с катодным пятном используют для имплантации ионов металлов (если такие были выбраны для имплантации в конкретном эксперименте). Имплантеры работают в импульсном режиме (частота повторения импульсов 10-200 Гц при длительности 0,1-1 мс) при ускоряющем напряжении около 30 кВ и среднем токе ионов 10 мА и обеспечивают флюенс ионов на поверхности облучаемого образца в пределах от 10-15 до 10-17 ион/см 2. Конкретные параметры работы имплантеров (частота следования импульсов, их длительность, ускоряющее напряжение и ток) выбирают в зависимости от типа ускоряемых ионов. Конкретный флюенс (время, доза) облучения выбирается в зависимости от необходимой ширины энергетической щели фотокатализатора. По окончании работы имплантеров из установки извлекают помещенный в начале образец соединения титана, который к окончанию цикла работы установки представляет собой фотокатализатор с заданной шириной энергетической щели.
Установка для получения фотокатализатора, содержащая устройство для внедрения в соединения титана химических элементов, отличающаяся тем, что устройство для внедрения в соединения титана химических элементов выполнено в виде двух ионных имплантеров, один - на основе тлеющего разряда низкого давления в магнитном поле для имплантации газовых ионов, второй - на основе дуги с катодным пятном для имплантации ионов металлов, а установка дополнительно содержит вакуумную имплантационную камеру и связанный с ней турбомолекулярный насос.
