[发明专利]一种在钛基底上制备锐钛矿型二氧化钛微纳米结构的方法

说明书

本发明公开了一种在钛基底上制备锐钛矿型二氧化钛微纳米结构的方法。其特征是：首先采用超快激光对纯钛片进行刻蚀，在纯钛片表面制备出微米结构；然后将刻蚀后的钛片放入H₂O₂中，对超快激光刻蚀后的微米结构进行氧化获得二氧化钛，同时在微米结构表面制备出纳米结构；最后通过退火将二氧化钛转变为锐钛矿型二氧化钛。该方法在纯钛片表面制备出的锐钛矿型二氧化钛微纳米结构在200nm‑1000nm波长范围具有高吸收率且与基底结合牢固，可直接用于光催化、染料敏化太阳能电池、气体传感器、锂离子电池等领域。

技术领域

本发明涉及表面微纳米功能结构的制备，具体为一种在钛基底表面制备低反射率锐钛矿型二氧化钛微纳米结构的方法。

背景技术：

锐钛矿型二氧化钛以其安全无毒、光电转换效率高、稳定性好的优点，被广泛运用于光催化、染料敏化太阳能电池、气体传感器、锂离子电池等领域。作为光电转换材料，二氧化钛的光吸收性能对于其光电转换效率与催化性能有直接影响。此外，作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料，二氧化钛需要通过吸附染料敏化剂进行工作；参与光催化反应时，二氧化钛需要通过吸附降解物进行降解。以上需求均对二氧化钛提出高比表面积的要求。微纳米结构由于高比表面积、界面效应、量子效应在物质吸附与光学性能上表现优越，在光催化与染料敏化太阳能电池领域得到广泛应用。研究表明，通过制备二氧化钛微纳米结构可以增加光利用效率与比表面积，成为当前的研究热点。

在金属钛表面制备不同形貌的锐钛矿型二氧化钛微纳米结构具有多方面优势：1)钛作为基底时面电阻小，并且直接在钛表面制备的二氧化钛与基底接触电阻与电荷传输阻抗小，可以实现光生电子的快速转移，减少光生电子与空穴对的复合从而促进光电转换效率的提升；同时具有灵活性高、耐高温与低成本的优势；2)钛作为基底时，在其表面直接生成的二氧化钛微纳米结构与基底结合牢固，可以更加高效的实现二氧化钛的重复利用；3)钛表面二氧化钛钝化膜的形成能够抵抗电解液的腐蚀作用。因此，在钛基底上直接制备锐钛矿型二氧化钛微纳米结构，通过对二氧化钛微纳米结构的调控实现光学性能与比表面积的最优化，对二氧化钛的性能提升及实际应用具有重要意义。

目前，多采用化学或机械抛光后的光滑钛表面制备二氧化钛微纳米结构，对于在非光滑钛表面制备二氧化钛微纳米结构的研究较少。有研究表明，通过砂纸打磨可以在钛表面制备微结构，降低钛表面的光滑程度，经氧化后形成的二氧化钛薄膜与抛光后制备的薄膜相比，由于表面微结构的产生，可以吸附更多的物质，在光催化运用时性能得到大幅提升。这种通过砂纸打磨改变薄膜形貌从而提升其性能的方法简单可行。但砂纸打磨的前期微结构形貌有限，因此通过其他方法制备形貌更加丰富的微结构，从而得到更大吸附能力、更强光吸收的薄膜结构具有重要意义。

超快激光作为一种精密加工工具，具有超精细、“冷加工”的独特优势，可以制备高吸收率与宽光谱吸收、超疏水或亲水、自清洁等多种表面微纳米结构。其中，超快激光刻蚀后产生的周期性条纹结构、微米锥形与纳米波纹复合结构、多孔珊瑚与纳米复合结构等多种结构在光吸收性能方面表现优越。同时，超快激光“冷加工”的特点使加工表面成分不发生实质性改变，有利于后续化学氧化的实施。

本发明将超快激光刻蚀、H₂O₂化学氧化和退火相结合，先采用超快激光在钛基底表面制备低反射率微米结构，通过H₂O₂化学氧化法对微米结构进行氧化获得二氧化钛，并在氧化的同时实现表面纳米结构的制备，最后通过退火将二氧化钛转变为锐钛矿型二氧化钛，获得低反射率锐钛矿型二氧化钛微纳米结构。

发明内容

本发明通过超快激光刻蚀、化学氧化和退火结合提供了一种大面积、高效、可控制备低反射率锐钛矿型二氧化钛薄膜的新方法。