[发明专利]二氧化钛纳米棒阵列薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化钛薄膜的制备方法，特别涉及一种利用液相化学沉积 (LPD)过程在多种基底表面构建二氧化钛纳米棒阵列结构薄膜的方法。

背景技术

二氧化钛纳米棒阵列薄膜由二氧化钛一维纳米粒子有序排列构成，这种 独特的薄膜结构使其在光伏器件、光解水、亲疏水材料、化学传感器、光催 化和电致变色等领域有重要的潜在应用。目前二氧化钛纳米棒阵列薄膜的制 备处于纳米科学的前沿领域，文献报道较少，已报道的方法多存在工艺复杂、 条件苛刻、基底选择受限和后处理困难等问题。徐东升等人(Nano Letters， Vol.2，No.7，2002，717)以多孔氧化铝为模板结合电化学沉积制备了二氧 化钛纳米棒阵列薄膜。该方法工艺复杂，需经历氧化铝模板制备、电化学沉 积、高温煅烧和去模板等步骤，并且彻底去除氧化铝模板较困难，去模板时 容易引起阵列结构的坍塌。Ing-Chi Leu等人(J.Phys.Chem.B，Vol.109，No.27， 2005，13056)利用氧化锌纳米棒阵列为模板制备了氧化钛纳米棒阵列薄膜。 该方法是一个需要模板辅助的两步过程，并且得到的薄膜需要高温煅烧来诱 导晶化。Jih-Jen Wu等人(J.Phys.Chem.B，Vol.108，No.11，2004，3377)利 用化学气相沉积方法在硅片上制备了氧化钛纳米棒阵列薄膜。该方法在600℃ 左右的高温下进行，条件较苛刻，能耗较大，对基底的耐高温性能要求很高， 仅局限于少数耐高温的基底。

发明内容

本发明目的在于提供一种工艺简单的方法制备二氧化钛纳米棒阵列薄 膜。由该方法制备的二氧化钛纳米棒阵列薄膜中的二氧化钛纳米棒尺寸分布 均匀，二氧化钛纳米棒的生长方向基本垂直于基底，排列比较整齐，与基底 结合牢固。

本发明的二氧化钛纳米棒阵列薄膜的制备方法是利用晶种诱导在基底表 面生长二氧化钛纳米棒阵列。二氧化钛纳米棒阵列的生长在低温、常压、水 溶液中进行，不需要模板辅助，也不需要添加任何表面活性剂。方法为：

将涂有晶种的基底浸没于含有无机盐的钛盐水溶液(也称为前驱体溶液， 晶种与钛盐任何比例均可)中，于30～100℃下恒温，在基底表面生长出二氧 化钛纳米棒阵列，将基底取出，清洗、干燥后，即可得到与基底结合牢固的 二氧化钛纳米棒阵列薄膜。

本发明的方法制备的二氧化钛纳米棒阵列薄膜与基底结合牢固，薄膜中 的二氧化钛纳米棒的形貌和尺寸较为均一，二氧化钛纳米棒的生长方向基本 垂直于基底，有序排列于基底表面。

所述的涂有晶种的基底的制备可采用提拉法进行制备：室温下，将清洗 干净的基底浸泡于晶种的分散体系中一段时间后，匀速提拉出来，即可在基 底上形成晶种层。室温下，于空气中自然干燥。

所述的晶种为二氧化钛晶粒、无定形二氧化钛颗粒、金颗粒、银颗粒、 氧化锌颗粒或氧化锡颗粒等。

所述的含有无机盐的钛盐水溶液是由15～99.995重量份的水、0～75重 量份的无机盐和0.005～50重量份的钛盐组成，以钛盐的重量份为准。其配 制是向15～99.995重量份的水中加入0～75重量份的无机盐和0.005～50重 量份的钛盐。

所述的无机盐为氟化物、硫酸盐或氯化盐等。

所述的氟化物如氟化钠、氟化钾或氟化铵等；硫酸盐如硫酸钠或硫酸钾 等；氯化盐如氯化铵、氯化钾、氯化钠或氯化钙等。

所述的钛盐为四氯化钛、三氯化钛、硫酸氧钛或硫酸钛等。

本发明制备的二氧化钛纳米棒阵列薄膜在光伏器件、光解水、亲疏水材 料、化学传感器、光催化和电致变色等领域都有重要的潜在应用。

本发明的二氧化钛纳米棒阵列薄膜的制备方法具有以下优点：

1.工艺流程简单，操作容易实现，后处理方便，易操作，环境友好。

2.制备过程在常压、较低温度下进行，能耗较小，成本低廉。

3.薄膜的生长在水溶液中进行，所需设备简单，不需要特殊设备和特殊原料。

4.反应条件温和，能够更广泛的适用于温度稳定性较差的高分子基底材料。

5.所制备薄膜面积仅取决于所用基底面积。

6.二氧化钛纳米棒阵列的生长过程不需要模板辅助，也不需要添加任何表面 活性剂。