[发明专利]一种制备锐钛矿二氧化钛纳米带阵列薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛纳米带阵列薄膜的制备方法，具体涉及一种锐钛矿二氧化钛纳米带阵列薄膜的非水热沉积方法。

背景技术

二氧化钛薄膜在光催化、光电催化、太阳能电池、电致变色、气体传感器等领域有着广泛的应用。研究表明，二氧化钛的形貌对于其性能有着重要影响，因此，制备特殊形貌的二氧化钛纳米材料的研究受到广泛重视。迄今，已经制备出的形貌有纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片、纳米花、空心微球等，而对纳米带的研究相对较少。纳米带是具有较大长宽比的片状结构，其尺寸特征介于一维纳米线与二维纳米片之间，兼顾了一维纳米线结构具有的电子快速传输特性和二维纳米片大比表面积的优势，极具应用前景。

目前主要采用碱热技术制备纳米带结构二氧化钛，在高温（150~250 ^oC）高压的水热反应釜中，将钛金属或二氧化钛纳米颗粒与高浓度（5～10摩尔/升）氢氧化钠溶液反应获得钛酸钠纳米带，而后进行多次酸洗（质子交换）获得氢钛酸，最后热处理转换成二氧化钛纳米带。该方法需要高温高压环境，能耗大，环境友好性差，存在较大安全隐患，产业化成本较高。发明专利CN101306839A公开了一种利用静电纺丝法制备二氧化钛纳米带的方法，但是该方法使用的钛源为钛醇盐，易水解；需要引入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的混合物作为高分子模板；同时对设备要求较高。迄今，还没有一种简单的、无需模板的制备二氧化钛纳米带阵列薄膜的方法。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种过程简单、无模板、低成本的制备锐钛矿二氧化钛纳米带阵列薄膜的方法。

本发明的制备锐钛矿二氧化钛纳米带阵列薄膜的方法，采用的是非水热沉积法，其具体步骤如下：

1) 将质量百分比浓度为50～55%的氢氟酸、质量百分比浓度为65～68%的硝酸与去离子水按体积比1：3：6混合，得酸洗液；

2）在质量百分比浓度为30%的双氧水溶液中添加0.0024摩尔/升的三聚氰胺和0.004~0.04摩尔/升的钨酸，得反应液。

3）将表面酸洗后的金属钛板浸没于步骤2）的反应液中，在60~90下反应6~60小时；

4）反应后的钛板用去离子水清洗，干燥后，在450 ^oC热处理1小时。

本发明通过改变钨酸的添加量，可以同步调控反应体系的pH值和晶体的生长维度，实现非水热环境下二氧化钛纳米带阵列薄膜的沉积。

制备过程中，热处理前的纳米带阵列薄膜为氢钛酸，经过热处理得到晶体结构为锐钛矿的二氧化钛纳米带结构。锐钛矿二氧化钛纳米带阵列平均长度为200～380纳米，平均宽度为35~60纳米，长宽比大约为5～7，厚度约为10纳米。

本发明方法可大面积制备锐钛矿二氧化钛纳米带阵列薄膜，无需模板，过程简单，重复性好，成本低，对设备要求低，所得薄膜均匀、结晶良好、与基底结合牢固。在光催化、光电催化、薄膜太阳能电池、气体传感器、生物材料等众多领域有着广泛的应用。

附图说明

图1为实施例1制备的覆盖在钛片表面的二氧化钛纳米带薄膜的高倍场发射扫描电子显微镜图片；

图2为实施例1制备的表面覆盖二氧化钛纳米带阵列薄膜的钛片的X射线衍射图，X射线衍射图中，A：锐钛矿，R：金红石，Ti：钛；

图3为实施例2制备的覆盖在钛片表面的二氧化钛纳米带薄膜的高倍场发射扫描电子显微镜图片；

图4为实施例3制备的覆盖在钛片表面的二氧化钛纳米带薄膜的高倍场发射扫描电子显微镜图片；

图5为实施例4制备的覆盖在钛片表面的二氧化钛纳米带薄膜的高倍场发射扫描电子显微镜图片；

图6为实施例5制备的覆盖在钛片表面的二氧化钛纳米带薄膜的高倍场发射扫描电子显微镜图片。

 

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明，但本发明不仅仅局限于下述实施例。

实施例1

1）将质量百分比浓度为55%的氢氟酸、质量百分比浓度为65%的硝酸与去离子水按体积比1：3：6的比例混合，得酸洗液；

2）在50毫升质量百分比浓度为30%的双氧水溶液中添加0.0024摩尔/升的三聚氰胺和0.04摩尔/升的钨酸，得反应液；

3）将尺寸为5×5×0.01（cm³）金属钛板表面用酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净。将清洗干净的金属钛板浸没于50毫升的反应液中，在90 ^oC下反应60小时；