[发明专利]一种自支撑二氧化钛三维微纳米结构制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面微纳米功能结构的制备，具体为一种采用超快激光刻蚀与化学处理相结在Ti基底上制备自支撑结晶型TiO₂三维微纳米结构的方法。

背景技术

纳米TiO₂以安全无毒、光电转换效率高、稳定性好的优点，在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光催化等领域具有广泛应用。目前广泛应用的纳米粉体虽然在光催化应用时具有较高的效率，但反应过程中分散在溶液中的纳米颗粒收集与回收难度大，进而会对降解液造成二次污染；在电极应用时需要通过后续处理将其与导电基底结合，这种间接结合可增加电荷传输阻抗，限制了器件性能的进一步提升。

与纳米颗粒的上述问题形成对比，Ti基底TiO₂自支撑结构具有直接的电荷传输通路，可以实现光生电子的快速转移，减小电荷传输阻抗，提高光电转换能力，被广泛用于染料敏化太阳能电池光阳极、锂离子电池电极、光催化材料。染料敏化太阳能电池光阳极对敏化剂的吸附量、锂离子电池电极与电解液的接触面积、光催化反应时对降解物的吸附量均对TiO₂结构提出高比表面积的要求。目前，直接在Ti基底表面制备的TiO₂结构多为纳米线等一维结构，比表面积有限。通过三维形貌TiO₂微纳米结构的制备，可增加光利用效率与比表面积，对实际应用具有重要意义。

本发明将超快激光刻蚀、NaOH化学处理等工艺结合，先用超快激光刻蚀在Ti基底表面制备微米结构，再通过NaOH化学处理在微米结构表面制备纳米结构，最后通过酸性条件下的离子交换与空气中退火得到结晶型TiO₂三维微纳米结构。超快激光刻蚀后得到的微米结构具有优异的光吸收性能，结晶型TiO₂三维微纳米结构可保持这一优点，并兼具比表面积大的优点，同TiO₂纳米线等一维结构相比，提高了光吸收与物质吸附性能。

发明内容

本发明提供了一种大面积、高效、可控制备结晶型TiO₂三维微纳米结构的新方法。

一种在Ti基底上制备结晶型TiO₂三维微纳米结构的方法，其特征是：首先采用超快激光对纯Ti片进行刻蚀，在Ti片表面制备微米结构；然后将激光刻蚀后的Ti片放入NaOH溶液中进行水热化学处理将微米结构Ti转变成Na₂Ti₂O₅，并在微米结构表面获得纳米结构；再通过酸性条件下的离子交换将Na₂Ti₂O₅转变成H₂Ti₂O₅；最后通过空气中退火将H₂Ti₂O₅转变为结晶型TiO₂，实现自支撑结晶型TiO₂三维微纳米结构的制备。

首先采用超快激光刻蚀在纯Ti片表面制备出微米结构；然后将激光刻蚀后的Ti片放入NaOH溶液中进行水热化学处理将微米结构Ti转变成Na₂Ti₂O₅，并在微米结构表面获得纳米结构；再通过酸性条件下的离子交换将Na₂Ti₂O₅转变成H₂Ti₂O₅；最后通过空气中退火将H₂Ti₂O₅转变为结晶型TiO₂，获得自支撑结晶型TiO₂三维微纳米结构。

进一步，Ti片的纯度在99wt.％以上。

进一步，超快激光可包括脉宽小于10皮秒的皮秒到飞秒激光、超快激光刻蚀的能量密度≥0.3J/cm²。

进一步，水热反应所用的NaOH溶液浓度为1-10M，温度为150-220℃，水热处理时间6-48h；离子交换所用酸浓度为0.1-1M，离子交换时间1-12h。

进一步，退火在空气或氧气氛围中进行，退火温度300-800℃，退火时间1-6h。