[发明专利]二氧化钛纳米管阵列薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化钛纳米管阵列薄膜的制备方法，具体属于二氧化钛纳米管领域。

背景技术

染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池。主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。

纳米TiO₂由于具有优异的光电转化、光致变色及光催化等性能，而在染料敏化太阳能电池、介电材料、自清洁材料和催化剂及载体等领域有广泛的应用。以大比表面积的纳米TiO₂做为光阳极材料，是目前DSSC研究的热点之一。而相较于常规的纳米TiO₂，高度有序的TiO₂纳米管阵列具有更大的比表面积和更强的吸附能力，同时特殊的有序管状结构对电子的传输效率也更高，有望提高TiO₂的光电转化效率，因此各国科学家对有序TiO₂纳米管阵列进行了深入研究。

阳极氧化法是指采用电化学方法，以纯钛片或钛合金为阳极，在含氟电解液中氧化生成TiO₂纳米管阵列的方法。阳极氧化法工艺简单，条件温和，易于大规模生产；所制备的TiO₂纳米管阵列排列规整，与钛基底的结合紧密，形貌可以精密控制。根据电解液的不同，阳极氧化法可以分为以下几类：第一类是HF电解液体系。采用HF电解液体系制备TiO₂纳米管所需时间较短，电压较低。但是制备的纳米管管长较短，仅有几百纳米。第二类是弱酸性/中性的氟化物水溶液电解液体系。这一类电解液既满足了含有F离子的要求，有降低了H+的溶度，减缓了纳米管的溶解速率。但是这一类电解液制备出的纳米管阵列形状可控性差，所制的纳米管通常不规则，管密度较小，管壁不均匀。第三类是含水有机电解液体系。

TiO₂纳米管阵列在DSSC领域有巨大的应用潜力，但是目前仍未实现大规模应用，主要有以下几个原因：首先是完整的大面积TiO₂纳米管阵列薄膜目前还难以制备；其次纳米管阵列形貌的精确控制还需要进一步研究；最后是对纳米管阵列的应用方式研究还不够深入。因此，设计一种TiO₂纳米管阵列的制备方法，能够制备出排列更整齐、表面形貌更优异的纳米管阵列显得尤为必要。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种二氧化钛纳米管阵列薄膜的制备方法，能够制备得到排列整齐、表面形貌优异的二氧化钛纳米管阵列。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

二氧化钛纳米管阵列薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)第一次预处理；(2)第一次阳极氧化反应；(3)第二次预处理；(4)第二次阳极氧化反应。

具体地，前述制备方法包括以下步骤：

(1)第一次预处理：将钛片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中清洗，随后取出，60℃烘干备用；

(2)第一次阳极氧化反应：将预处理后的钛片放入电解池中作为阳极，镍片作为阴极，通电进行阳极氧化反应；

(3)第二次预处理：将第一次阳极氧化后的钛片从电解池中取出，分别置于盐酸溶液、无水乙醇中清洗，自然干燥备用；

(4)第二次阳极氧化反应：将第二次预处理后的钛片放入电解池中作为阳极，镍片作为阴极，再次通电进行阳极氧化反应，反应结束后，取出钛片置于无水乙醇中浸泡，空气中自然干燥即得。

进一步地，前述制备方法包括以下步骤：

(1)第一次预处理：将钛片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，每次清洗时间为10～20min，随后取出，60℃烘干备用；

(2)第一次阳极氧化反应：将预处理后的钛片放入电解池中作为阳极，镍片作为阴极，电解液为含有0.3wt％～0.6wt％的NH₄F和2vol％～6vol％的水的乙二醇溶液，通电，在30～70V电压下，进行阳极氧化反应，氧化时间为0.5h～2.5h，电解液温度为10～50℃；

(3)第二次预处理：将第一次阳极氧化后的钛片从电解池中取出，置于1mol/L盐酸溶液超声清洗5～15min，再置于无水乙醇中超声清洗2～3min，自然干燥备用；