УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФОТОКАТАЛИЗАТОРА

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.
2
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 м/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.
-6
-15
-17
2
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 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 до 10 ион/см. 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.