[发明专利]一种单层高活性二氧化钛薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及在不同基体上形成单层高活性(001)晶面占优的二氧化钛薄膜的制备方法，具体为种通过湿化学过程在金属钛或钛合金基底上生长由单层二氧化钛颗粒组成的(001)晶面占优二氧化钛薄膜的方法。

背景技术

自1972年Fujishima发现二氧化钛可在光作用下分解水产生氢气的现象，二氧化钛及其它可用于光催化分解水制氢的半导体化合物引起了广泛的关注和深入的研究。二氧化钛因为无毒无害对环境友好且价格便宜，除了应用于光催化分解水外，还广泛应用于光降解、染料敏化太阳能电池、光电化学、生物化学以及自清洁等领域，但二氧化钛光催化效率仍不能满足应用的需要。人们不断通过掺杂、表面修饰、形貌控制等方法对二氧化钛进行改性，从而进一步提高二氧化钛的光催化效率。

由于光催化反应主要在催化剂的表面进行，而表面原子排列差异导致二氧化钛的催化活性依赖于表面原子组成。理论研究发现，二氧化钛(001)晶面，较其它晶面具有更高的催化活性。如何能够制备出(001)晶面占优的二氧化钛成为研究的重点，最近报道了以TiF₄为前驱体制备(001)晶面占优的二氧化钛晶体，但该方法制备的(001)晶面占优的二氧化钛是粉体且颗粒尺寸大于1μm，因此这种(001)占优的二氧化钛粉末很难被制成致密和坚固的薄膜，从而限制了其有效在光电极、染料敏化太阳能电池、自清洁表面等方面应用。因此，如将(001)晶面占优的二氧化钛直接生长在钛基体上，不仅可解决二氧化钛薄膜与基体结合问题，同时可将更高比例的(001)晶面位于表面，从而可更充分有效利用(001)晶面的优异特性。同时，(001)晶面占优的二氧化钛薄膜可广泛用于组装光电极和染料敏化太阳能电池，以及通过在各种材料表面经喷涂金属钛或钛合金处理后，再反应形成具有(001)晶面的二氧化钛薄膜的表面，从而可得到具有抗菌和自清洁功能材料。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种在不同基体上形成单层高活性(001)晶面占优二氧化钛薄膜的制备方法，通过有效设计并使用湿化学过程制备了单层高活性(001)晶面占优的二氧化钛薄膜，并将其组装成光电极，表现出了优异的光电化学解水性能，解决(001)占优二氧化钛粉体很难形成(001)面全部位于表面以及很难形成致密结合紧密薄膜的问题，因而该薄膜可望广泛和有效的应用于光催化器件，如(001)晶面占优的二氧化钛薄膜可更有效的应用于染料敏化太阳能电池，光电极及表面抗菌和自清洁等领域。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种单层高活性(001)晶面二氧化钛薄膜的制备方法，将表面含有金属钛或钛合金的基体上用无水乙醇和去离子水超声清洗后真空蒸干，得到表面无氧化层的前驱体。将前驱体样品放入装有一定浓度的稀氢氟酸水溶液的反应釜中，反应釜密封后，放入烘箱在一定温度加热处理一定的时间，取出反应样品，用去离子水清洗并烘干，就可在基体表面生成由单层颗粒组成(001)晶面占优的二氧化钛薄膜。其中，具体的特征在于：

1、表面含有金属钛或钛合金的基体，可为钛片、涂有金属钛层基体，各种形貌钛块以及钛合金(如TiAl、TiZr或TiCr等)，或表面具有1～50μm厚度的金属钛或钛合金基体的一种。

2、反应釜材质为不锈钢、铝合金、铜和钽的一种，内胆为聚四氟乙烯和高密度聚乙烯的一种。

3、氢氟酸的浓度为4～20mM。

4、前驱体中或样品中，金属钛或钛合金基体的质量与稀氢氟酸水溶液的体积之间的比例为1g/100mL～1g/500mL。

5、加热温度为100～200℃，加热时间为6h～24h。

6、烘干温度为50～120℃。

7、所得薄膜是二氧化钛晶体，薄膜由锐钛矿和金红石相的二氧化钛组成，晶相比例从95∶5到80∶20，其厚度为10～1000nm(优选为400～700nm)，颗粒尺寸为50～200nm(优选为100～180nm)。晶面比例可控，(001)晶面比例20～91％(优选为60～91％)。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明是一种在不同基体上形成单层高活性(001)晶面二氧化钛薄膜制备方法，可将(001)晶面的二氧化钛生长表面含钛或钛合金的基体上，获得二氧化钛薄膜最外层是有利于光催化反应的高活性的(001)晶面。

2、本发明方法可在任何形貌含钛或钛合金基体的表面形成(001)晶面的占优的二氧化钛薄膜。