[发明专利]一种纳米有序构造的光电转换复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电转换复合薄膜及其制备方法，尤其是纳米有序构造的光电转换复合薄膜及其制备方法。

背景技术

纳米结构二氧化钛薄膜在光催化、电助光催化、气体传感器、太阳能电池、生物材料以及纳米器件等高科技领域有着广泛的应用。作为一种理想的光电极，二氧化钛薄膜是染料敏化太阳能电池的核心组件之一。它的一些光电性能，如光电转换效率、光生电子空穴对分离效率及光生电子向导电基板的迁移效率等，直接影响太阳能电池的光电效率。而作为一种光催化薄膜，在特定波长光照下，二氧化钛激发的光生空穴具有强氧化性，可以高效无选择地氧化分解污水中的有机物及空气中的挥发性有机气体。外加阳极偏电压可以有效地从二氧化钛光催化薄膜中带走光生电子，从而抑制光生电子空穴对的简单复合，提高光催化分解有机污染物的效率，这种技术称为电助光催化，又称光电催化。作为电助光催化装置的核心，二氧化钛薄膜的上述本征光电性能，即光电转换效率、光生电子空穴对分离效率及光生电子向导电基板的迁移效率等，是决定有机污染物分解效率的最为重要的因素。因此，新型高效光电转换二氧化钛薄膜的研发具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米有序构造的光电转换复合薄膜及其制备方法，以提高二氧化钛薄膜的光电转换效率。

本发明的纳米有序构造的复合薄膜，是由单晶金红石结构二氧化钛纳米短棒准定向阵列镶嵌于溶胶-凝胶锐钛矿结构二氧化钛纳米颗粒之间构成的厚度为120～250纳米的复合薄膜，纳米短棒阵列中单根纳米短棒的直径为20～60纳米，长度为120～250纳米，锐钛矿纳米颗粒粒径为20～30纳米。

纳米有序构造的光电转换复合薄膜的制备方法，包括以下步骤，以下所述的浓度均指质量浓度：

1)配制酸洗液

将浓度为50～55％的氢氟酸、浓度为65～68％的硝酸与去离子水按体积比1∶3∶6混合，得酸洗液；

2)制备含有四价钛离子的前驱体

将金属钛板表面用步骤1)所得的酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净，将四氮六甲圜溶解于浓度分别为20～30％的双氧水和65～68％的硝酸按体积比50∶1混合溶液中，控制四氮六甲圜的浓度为0.14～0.28％，然后将清洗干净的金属钛板浸没于上述溶液中，在60～80℃下反应48小时后取出金属钛板，离心反应剩余溶液，去除悬浮粉末，得到含有四价钛离子的前驱体；

3)制备单晶金红石纳米短棒准定向阵列薄膜

另取一基体，表面用步骤1)所得的酸洗液酸洗，再用去离子水在超声波中清洗干净，然后浸没于步骤2)所得的含有四价钛离子的前驱体中，在60～80℃下反应6～24小时，取出，用去离子水冲洗，干燥，得基体表面覆盖单晶金红石纳米短棒准定向阵列薄膜；

4)配制二氧化钛溶胶

将钛酸四丁酯逐滴加入乙醇中，再加入二乙醇胺，控制二乙醇胺、钛酸四丁酯和乙醇的质量比为1∶2.8～3.2∶8.2～8.6，室温下搅拌至少2小时，然后再逐滴加入相对于所加钛酸四丁酯质量百分数分别为5.6～5.9％的去离子水和45.5～46.5％的乙醇的混合溶液，磁力搅拌3小时，得到均匀稳定二氧化钛溶胶；所说的钛酸四丁酯、乙醇、二乙醇胺均为化学纯；

5)复合薄膜制备

在相对湿度为20～25％环境下，将步骤3)所得表面覆盖单晶金红石纳米短棒准定向阵列薄膜的基板竖直浸没于步骤4)所得二氧化钛溶胶中，以4～8mm/s的提拉速率垂直提拉成膜，自然干燥后置于400～500℃热处理1～2小时，冷却，即可。

上述的基体可以为金属、导电玻璃或导电聚合物。

本发明制备的复合薄膜肉眼观察呈均匀的淡蓝色或嫩绿色或粉红色，具体色彩取决于薄膜的厚度，是均匀的晶态结构二氧化钛薄膜对可见光产生干涉作用的结果。联合控制步骤3)的反应时间和步骤5)的提拉速率，可控制复合薄膜的厚度在120～250纳米之间。改变步骤3)的反应时间可以调节单根纳米短棒的直径和长度；锐钛矿纳米颗粒粒径由步骤4)控制。