[发明专利]周期可调的周期层状结构TiO2纳米管阵列薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属纳米材料领域，涉及一种新型纳米结构的制备方法，特别涉及一种周期可调的周期层状结构TiO₂纳米管阵列薄膜及其制备方法。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)是一种宽带隙半导体和高介电常数材料，其在光催化、敏化太阳能电池、气敏元器件和光子晶体等领域都有着广阔的应用前景。纳米结构的TiO₂的性能与其尺寸密切相关，这引起了人们的广泛兴趣，特别是TiO₂纳米管阵列结构由于其规则排布的结构更是受到重视。研究表明，TiO₂纳米管的结构尺寸(长度和管壁厚度等)和形貌结构对太阳光的有效吸收、染料的负载以及光生载流子的传输等具有重要的影响。因此，设计和控制TiO₂纳米管的形貌结构是调控其应用性能的有效途径之一。目前人们主要采用阳极氧化法来制备TiO₂纳米管阵列薄膜，可以通过控制阳极氧化电压和电解液的组成等实验参数来实现对TiO₂纳米管形貌结构的调控。但是现在人们制备的TiO₂纳米管阵列只在横向方向上具有规则的周期结构。为了更广泛的应用需求，人们还制备出了一些在薄膜纵向方向上亦有周期性的TiO₂纳米管阵列结构，比如竹节状、分叉结构等的纳米管阵列薄膜。这种纵向周期结构的TiO₂纳米管阵列薄膜在提高染料敏化太阳能电池和光子晶体性能的等方面都是十分有利的。

但是目前较少见有关于周期层状结构的TiO₂纳米管阵列结构和制备方法的研究报道。本发明采用阳极氧化法，通过控制阳极氧化参数、利用周期性的脉冲电压制备出了一种由层与层之间相通的TiO₂纳米管阵列片层堆垛而形成的周期层状结构的TiO₂纳米管阵列薄膜，该方法工艺简单，设备简便，重现性好。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种周期可调的周期层状结构TiO₂纳米管阵列薄膜及其制备方法。

为了实现本发明，我们采用以下技术方案：

一种周期可调的周期层状结构TiO₂纳米管阵列薄膜，其特征在于，所述TiO₂纳米管阵列薄膜是由TiO₂纳米管阵列片层周期堆垛而形成的结构。

所述的一种周期可调的周期层状结构TiO₂纳米管阵列薄膜，其特征在于，所述的TiO₂纳米管阵列片层的数量和厚度可调控。

所述的周期可调的周期层状结构TiO₂纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

(1) Ti片的预处理：将清洗干净的Ti片在恒压60V下阳极氧化2-3个小时，然后超声去除Ti片表面所形成的TiO₂纳米管阵列薄膜，得到干净的Ti片待用；

(2) 将处理后的Ti片在周期性的脉冲电压下阳极氧化60-200个周期，周期性电压波形为：电压在V_L下持续t_L时间，然后脉冲至V_H下持续t_H时间，其中V_L为低电平电压、V_H为高电平电压，其取值范围为50V≤V_L≤70V、90V≤V_H≤110V，时间t_L为30s至数分钟，t_H为20s至60s，电压的波形及周期由电脑程序控制；

(3) 将所制得的样品用去离子水清洗数遍，然后干燥，得到周期层状结构的TiO₂纳米管阵列薄膜。

所述的周期可调的周期层状结构TiO₂纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中阳极氧化的电解液为0.3～0.5wt% 氟化铵的乙二醇溶液，并加入0.05～0.1vol%的去离子水。

所述的周期可调的周期层状结构TiO₂纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中阳极氧化温度为20～25℃，所述步骤(2)中阳极氧化温度为28～30℃。