[发明专利]一种二氧化钛纳米复合结构薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合结构技术领域。具体涉及一种二氧化钛纳米复合结构薄膜及其制备方法。

技术背景

TiO₂是一种良好的半导体材料，由于具有良好的光电化学性能、稳定的物理化学性能、低成本和无毒的特点，被广泛的应用于太阳能电池、光催化和生物材料领域。近年来，纳米材料由于其极大的科学价值及潜在的应用价值，引起了人们的广泛关注。理论和实验研究表明，相对于块体材料来说，纳米结构表现出更为优越的性能。因此纳米结构的TiO₂的合成及性能研究引起了人们极大的兴趣。

TiO₂纳米颗粒由于具有优越的光电性能，良好的光吸收及吸附污染物或染料的性能及低成本，安全无毒，被广泛地应用于太阳能电池和光催化领域。而在太阳能电池及光催化领域中都希望TiO₂具有更大的比表面积，良好的光吸收及吸附污染物或染料的性能，良好的电子传输性能[Schmuki，P，et al.Chem.Phys.Chem.2010，11，2698]。但是TiO₂纳米颗粒在光照后激发出来的光电子的传输性能较低[Vanmaekelbergh，D.，et al.Phys.Rev.Lett.1996，77，3427.]影响其光催化剂太阳能电池的效率。目前，高度有序的TiO₂纳米管具有良好的定向性，能为电子传输提供特定的传输通道，提高了电子在材料中传输性能[Frank，A.J.，et al.Nano Lett.2007，7，69.]。但相比于与TiO₂纳米颗粒，TiO₂纳米管的光吸收及吸附染料的性能都较低，从而影响其性能。目前有相关报道证实TiO₂纳米管在光催化及太阳能电池领域的效率比TiO₂纳米颗粒差[Chiba，Y.，et al.，Japanese Journal of Applied Physics，Part 2：Letters，2006.45，638.Varghese，O.K.，et al.Nature Nanotechnology，2009.4，592]。如果能将TiO₂纳米颗粒负载到TiO₂纳米管上，这样既能利用TiO₂纳米颗粒获得较好的光吸收和染料吸附的性能，又能发挥TiO₂纳米管较好的电子传输性能，同时能够获得更大的比表面积，因此，TiO₂纳米颗粒与纳米管的复合结构将在光催化及太阳能电池领域具有广阔的应用前景，相关报道也证实了这一点[Schmuki，P，et al.Electrochemistry Communication 2009，11，1001-1004]。

目前，TiO₂纳米颗粒与纳米管的复合结构的制备方法一般以TiO₂纳米管为模板，然后将外来的TiO₂前驱物引入到TiO₂纳米管中，再经过相关处理而获得。Patrik Schmuki等人利用阳极氧化法制备的TiO₂纳米管在一定浓度的TiCl₄溶液中浸泡[Schmuki，P，et al.Electrochemistry Communication 2009，11，1001-1004]，取出后在封闭的容器中加热到70℃维持30min，接着取出清洗掉残留的TiCl₄，吹干后在350-450℃退火处理得到了TiO₂纳米颗粒修饰TiO₂纳米管的复合结构，具有更大的比表面积和吸附能力、良好的光吸收及电子传输性能。Xuan Pan等人利用TiO₂纳米管在0.2M的TiCl₄溶液中100℃水热反应30min[Xuan Pan，et al.Nanotechnology 2011，22，35402]，取出吹干后在350-450℃退火处理同样得到了TiO₂纳米颗粒修饰TiO₂纳米管的复合结构。

上述方法虽成功制备了TiO₂纳米颗粒修饰TiO₂纳米管的复合结构，但工艺较复杂，均需要引入外来物质作为TiO₂的前驱物，且上述方法所使用的前驱物TiCl₄极易发生水解产生具有强烈刺激性气味的挥发性气体HCl，导致制备过程很难精确控制，且危险性较大，成本较高。