[发明专利]一种多衬底TiO2纳米线薄膜通用制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在钛金属板、普通玻璃、硅片和导电玻璃(FTO导电玻璃和ITO导电玻璃)等多种衬底上制备TiO₂纳米线薄膜的方法。

背景技术

TiO₂薄膜在光催化、光电催化、气体传感器、薄膜太阳能电池、电致变色薄膜和场发射等领域有着广泛的潜在应用。纳米棒、纳米花、纳米管和纳米线等纳米结构的TiO₂在上述应用中都显示出优异的性能。其中，与零维纳米颗粒组成的致密薄膜相比，TiO₂纳米线有序阵列薄膜具有更好的空间电荷分离效应，有效减少电子空穴的复合，这对于TiO₂薄膜在光催化、光电催化和薄膜太阳能电池等诸多领域的应用都具有重要意义。

在实际应用中，作为染料敏化太阳能电池光电极，TiO₂薄膜通常制备在ITO或FTO等导电玻璃上；为了适应电池的柔性化，需要将TiO₂薄膜沉积在导电高聚物或金属箔(丝网)衬底上；在光催化环境治理领域应用时，适应于不同材料复杂衬底上的纳米结构TiO₂薄膜的制备技术，可以为高效光催化反应装置的设计提供更多的可能。因此，适用于多衬底的TiO₂纳米线阵列薄膜的通用制备技术具有重要的现实意义。

目前，TiO₂纳米线阵列的制备技术包括水热法、碱热法、特种静电纺丝法、模板法等，但需模板或催化剂，通用性不强。发明人之前公布了一种在钛金属基板上大面积制备纳米线阵列薄膜的方法(发明专利号：CN200910096796.4)。我们最近的研究发现，采用该制备技术的剩余溶液，通过适当的后续处理及工艺优化，可以在多种衬底上沉积结晶良好的TiO₂纳米线阵列。

发明内容

本发明提供一种在金属钛基板、普通玻璃、硅片和导电玻璃(FTO导电玻璃和ITO导电玻璃)等多种衬底上制备TiO₂纳米线薄膜的方法。

本发明的技术方案如下：

一种TiO₂纳米线薄膜的制备方法，它包括如下步骤：

步骤1.配制酸洗液

将质量浓度为50～55％的氢氟酸、质量浓度为65～68％的硝酸与去离子水按体积比1∶2～4∶5～7混合，得酸洗液；

步骤2.配制反应液A

在质量百分比浓度为20～30％的双氧水溶液中添加浓度10摩尔/升的浓硝酸至硝酸浓度为0.31摩尔/升；同时添加三聚氰胺粉末至溶液中三聚氰胺浓度为0.0024～0.0155摩尔/升的三聚氰胺，得到反应液A；

步骤3.制备反应液B-x(x＝0.125～1)

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，然后浸没于反应液A中，在80℃下反应48小时后取出金属钛板，反应剩余溶液为反应液B；将反应液B稀释至初始浓度0.125～1倍，即可得不同浓度的反应液B-x(x＝0.125～1)；

步骤4.清洗衬底

另取金属钛板，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、干燥或将普通玻璃、硅片、FTO导电玻璃或ITO导电玻璃先后用无水乙醇和去离子水在超声波中清洗干净，干燥；

步骤5.沉积

将步骤4所得钛基板、普通玻璃、硅片、FTO导电玻璃或ITO导电玻璃分别浸没于反应液B-x(x＝0.125～1)中，并添加海绵钛作为钛源，在60～80℃下反应4～72小时；然后用去离子水清洗，干燥，在450℃保温1小时晶化，即可在上述多种衬底上沉积结晶良好的二氧化钛纳米线薄膜。

本发明的方法反应条件温和、过程简单，无需模板和催化剂，重复性好。

附图说明

图1为实施例1制备的表面覆盖二氧化钛纳米线薄膜的钛基板的高倍场发射扫描电子显微镜照片；

图2为实施例2制备的表面覆盖二氧化钛纳米线薄膜的钛基板的高倍场发射扫描电子显微镜照片；

图3为实施例2制备的表面覆盖二氧化钛纳米线薄膜的钛基板断面的高倍场发射扫描电子显微镜照片，表明二氧化钛纳米线薄膜厚约1微米；

图4为实施例2制备的表面覆盖二氧化钛纳米线薄膜的钛基板的X射线衍射图，图中，Titanium：钛，Anatase：锐钛矿，Srilankite：锆钛矿；

图5为实施例3制备的表面覆盖二氧化钛纳米线薄膜的钛基板的高倍场发射扫描电子显微镜照片；