[发明专利]原位制备{001}晶面曝露的锐钛矿型二氧化钛薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种原位制备{001}晶面曝露的锐钛矿型二氧化钛薄膜的方法，具体实施方式如下：先对基体进行清洗，然后进行退火预处理，将处理后的基体再进行清洗并晾干备用；将钛源、氟源、酸和异丙醇均匀混合并充分搅拌，配置成反应前驱液备用；将基体与反应前驱液移至不锈钢高压反应釜中，在电热鼓风干燥箱中进行水热反应，反应结束后冷却取出基体，用去离子水进行超声清洗，获得表面有二氧化钛薄膜的基体。通过本发明制备得到的薄膜在基体上原位生长形貌均匀、致密且薄。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种原位制备{001}晶面曝露的锐钛矿型二氧化钛薄膜的方法。

背景技术

钛及其合金具有耐蚀性高，弹性模量接近天然骨及其抗疲劳性能好等优点，现今被用于外科植入材料，其表面未经处理获得的天然氧化钛膜不具有生物活性，只是单纯的机械结合，需要对其进行表面活化来赋予其生物活性，从而在人体模拟体液中诱导羟基磷灰石的沉积。

纳米二氧化钛薄膜因其比表面积大和尺寸小以及优秀的生物相容性和光催化性能，在电子、涂料、纺织、污水处理、肿瘤诊断、种植体改性及抗菌等多方面有广泛应用。不同形貌的锐钛矿二氧化钛晶体具有不同的物理化学性能，对其性能影响比较大的纳米结构特点有三个方面，晶面、晶界及异质结构。特别是晶面，通过第一性密度泛函理论（DFT）计算可得，锐钛矿型二氧化钛晶体不同晶面的表面能大小排序：E{001}(0.9 J/m²)E{100}(0.53J/m²)E{101}(0.44 J/m²),根据表面能最小化原则，高能晶面在晶体生长过程中迅速减少，被其他低能量晶面所代替。因此，得到锐钛矿高能面{001}成为各方研究的首选目标。

2008年Yang等人利用HF作为形貌控制剂，通过水热法合成了{001}晶面曝露率47%的单晶锐钛矿二氧化钛。合成制备{001}面曝露的锐钛矿型二氧化钛单晶的研究开始获得大量关注。之后，Yang等人使用异丙醇作为氢氟酸的协同封端剂和反应介质，使{001}表面的曝露率达到64%。比如中国专利CN201510290626.5提出的四氟化钛、氢氟酸和异丙醇为前驱液，采用水热法制备曝露高能晶面{001}的足球状锐钛矿二氧化钛粉体纯度高且结晶性好，但其采用的钛源浓度为0.16M到0.18M，浓度较高只能生成粉末颗粒，无法制备薄膜。

文献报道的{001}晶面曝露的锐钛矿型二氧化钛一般为粉末颗粒，不利于回收且难以固定，使其在许多应用方面受到限制。在生物材料应用方向，二氧化钛粉体无法与基体有效结合，另外HF的加入使基体腐蚀严重。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种原位制备{001}晶面曝露的锐钛矿型二氧化钛薄膜的方法。

为达到上述目的，提出以下技术方案：

原位制备{001}晶面曝露的锐钛矿型二氧化钛薄膜的方法，包括如下步骤：

1）先对基体进行清洗，然后进行退火预处理，将处理后的基体再进行清洗并晾干备用；

2）将钛源、氟源、酸和异丙醇均匀混合并充分搅拌，配置成反应前驱液备用；

3）将基体与反应前驱液移至不锈钢高压反应釜中，在电热鼓风干燥箱中进行水热反应，反应结束后冷却取出基体，用去离子水进行超声清洗，获得表面有二氧化钛薄膜的基体。

进一步地，步骤2）中反应前驱液中的钛源为氟钛酸铵、氟钛酸、三氯化钛、四氟化钛、硫酸亚钛中的至少一种。

进一步地，步骤2）中反应前驱液中的氟源为氟钛酸铵、氟钛酸、氟化钠、四氟化钛中的至少一种。

进一步地，步骤1）中的基体为钛、钛合金中的至少一种。

进一步地，步骤2）中反应前驱液中的酸为盐酸、硫酸、硝酸、草酸、乙酸中的至少一种。