[发明专利]一种制备纳米多孔氧化钛厚膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用商业化氧化钛纳米粉体制备纳米多孔厚膜的方法，所制备的纳米多孔TiO₂厚膜可应用于染料敏化半导体纳米晶太阳能电池的光阳极、光催化、气敏传感器、化学催化剂载体等多种领域。属于半导体光电及半导体传感器领域。

背景技术

TiO₂是一种禁带宽度为3.2电子伏特的n型半导体材料，化学性质稳定，光催化活性高，对人体完全无害，在光催化、抗反射涂层、多层光学涂层、光波导、新型纳米晶太阳能电池等众多方面有着广泛的应用。

具有纳米多孔特征的TiO₂膜层的制备及应用是目前国内外学术界和产业界的关注和研究热点。如，在半导体光催化领域，将多孔TiO₂膜沉积于载体之上，不仅可保证膜层具有较大的比表面积和高光催化活性，而且从根本上解决了粉状TiO₂分离困难、容易流失的缺点及粘接剂覆盖而使光催化性大大降低的问题。又如，在纳米晶太阳能电池领域，纳米多孔TiO₂厚膜作为光阳极，承担光敏化剂的载体并传输光激发电子的功能。由于其同时具有巨大的比表面积(50-200m²/g)和优良的电子导通能力，因此具有目前最高的光电转换效率。

目前，多种技术曾被用于纳米多孔TiO₂膜的制备，包括溶胶凝胶、粉末涂敷、电化学沉积、丝网印刷、压实法、阳极氧化等等。溶胶凝胶法以其能制备可控性和重复性良好的多孔高比表面积纳米结构薄膜、以及与丝网印刷技术相配套的优点而成为制备纳米TiO₂多孔膜常用的方法，缺点是难于制备较厚膜层。粉末涂敷法是将平均粒径10～30nm的TiO₂粉末分散在含有乙酰丙酮及表面活性剂的水溶液中，在玛瑙研钵中充分研磨，所得粘稠胶体溶液涂敷在导电玻璃表面，自然干燥后在450℃下烧结30min形成多孔薄膜电极。电化学沉积法包括阳极沉积法和阴极沉积法，所得纳米TiO₂多孔膜的特点是附着力很强。阳极沉积法是以新鲜配制的TiCl₃为电解液进行恒电位电解，在导电玻璃电极上得到4价钛的水化薄膜，再将膜干燥后经热处理得到纳米TiO₂多孔膜；阴极沉积法是以TiOSO₄为原料，直接在阴极制备纳米TiO₂多孔膜。

在各种纳米多孔TiO₂膜层的制备技术中，Gratzel等报道的“粉末涂敷”技术是实验室制作光阳极的最常用方法。由于采用商业化TiO₂纳米粉体作为原材料，该方法工艺比其他方法更为简单，膜层中TiO₂晶粒的尺度控制性好，且易于制备较厚膜层(如10微米以上)。然而，如前所述，该法采用物理机械方式对纳米颗粒进行分散，因此具有浆料搅拌时间长(约3小时)、水分易挥发、难于长期保存等缺点，在很大程度上限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备纳米多孔TiO₂厚膜的方法，通过采用商业化纳米粉体为原料，以成本低廉、操作简便的“纳米颗粒化学分散”技术和“粉末涂敷”方法，在衬底上制备具有较大膜厚、较高比表面积的纳米多孔TiO₂膜层。本发明采用化学方法取代传统搅拌方式对纳米TiO₂颗粒进行分散，并采用低分子量聚乙二醇作为微观孔结构控制剂，经多次涂覆和高温烧结制备纳米多孔TiO₂膜，不仅克服了传统“粉末涂敷”技术制备和保存困难的缺陷，而且可对膜层微结构进行精确调控。

本发明提供的制备纳米多孔TiO₂厚膜的工艺步骤是：

1、TiO₂纳米粉体的预处理与衬底准备。

1)TiO₂纳米粉体的预处理

a.纳米分散液配制：取适量的TiO₂纳米粉体，与一定浓度的稀硝酸混合，搅拌，得到乳白色的TiO₂悬浊液。TiO₂与水的1：5～1：100(重量比)；稀硝酸的质量百分浓度为0.1％～5％。

b.水浴：将上述TiO₂悬浊液在水浴条件下搅拌，时间为2～72小时，水浴温度为50～95℃。