[發(fā)明專利]一種具有相分離結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200610169557.3
• 申請(qǐng)日: 2006-12-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101205119A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王丹;姚建曦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所
• 主分類號(hào): C03C17/23
• 分類號(hào): C03C17/23
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 王鳳華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是涉及一種具有相分離結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

1972年，日本的Fujishima教授首次發(fā)現(xiàn)了二氧化鈦的光催化性能，開(kāi)始了多相光電催化的新紀(jì)元。自此，該領(lǐng)域引起了科技工作者的極大關(guān)注。1991年，以瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院M.教授為首的研究小組采用高比表面積的納米多孔TiO₂膜作半導(dǎo)體電極，以過(guò)渡金屬Ru以及Os等有機(jī)化合物作染料，并選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)研制出一種納米晶光電化學(xué)太陽(yáng)能電池，這種電池的出現(xiàn)為光電化學(xué)電池的發(fā)展帶來(lái)了革命性的創(chuàng)新。為了提高二氧化鈦的光催化性能和染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，通常需要制備具有高的比表面積多孔二氧化鈦薄膜，這樣能夠使薄膜具有較多的活性中心，另一方面還能保證染料在薄膜表面的單層吸附。這是因?yàn)橹挥蟹浅？拷趸伇砻娴拿艋瘎┓肿硬拍馨鸭ぐl(fā)態(tài)的電子順利注入到二氧化鈦導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的存在反而會(huì)阻礙電子的輸送，導(dǎo)致光電能量轉(zhuǎn)換率下降。

目前制備這種納米晶多孔二氧化鈦的制備方法主要有粉末涂覆法(如日本特開(kāi)平10-212120號(hào)公報(bào))和溶膠凝膠法(如日本特開(kāi)平11-310898號(hào)公報(bào))。采用粉末涂覆法制備的二氧化鈦薄膜與基板接觸面積小，二者之間結(jié)合不夠牢固，薄膜很容易從基板上脫落下來(lái)。采用溶膠-凝膠法合成溫度低、產(chǎn)品純度高、均勻性好、化學(xué)成分準(zhǔn)確、成膜均勻、工藝簡(jiǎn)單，依舊是制備納米多孔TiO₂薄膜最常用的方法。Kajihara等人在文獻(xiàn)1：Journal?of?American?Ceramic.Society，1998，81：2670-2676中，報(bào)道了采用聚乙二醇制備多孔TiO₂薄膜的方法，這已經(jīng)成為制備多孔TiO₂薄膜非常常規(guī)的一種方法，隨后許多的研究者又對(duì)這個(gè)系統(tǒng)做了大量卓有成效的研究。但是該方法還具有本身難以克服的缺點(diǎn)：薄膜的相分離和其本身的凝膠化同時(shí)發(fā)生，一般很難對(duì)其進(jìn)行控制，而且薄膜最終的表面形貌往往受到環(huán)境比如空氣的濕度以及鍍膜操作過(guò)程如鍍膜的速度等許多因素的影響，因而薄膜形貌的可重復(fù)率不高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)在制備二氧化鈦薄膜時(shí)的種種不足，從而提供一種成本低廉、操作簡(jiǎn)便、得到的薄膜結(jié)構(gòu)可重復(fù)率高的制備具有相分離結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜的方法。

本發(fā)明的發(fā)明目的是通過(guò)如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供的具有相分離結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜的制備方法，其為利用光聚合誘導(dǎo)相分離的方法，在鍍膜的溶膠中加入易于聚合的高分子單體，對(duì)浸漬提拉后制備的薄膜進(jìn)行紫外光照來(lái)引發(fā)反應(yīng)單體聚合，導(dǎo)致薄膜表面相分離結(jié)構(gòu)的形成，最后通過(guò)熱處理制備銳鈦礦型二氧化鈦薄膜，具體包括如下的步驟：

1)將石英基板分別用洗滌劑、蒸餾水、乙醇、丙酮洗干凈，并在600℃下熱處理10分鐘；

2)將鈦酸異丙酯在0℃溶于乙醇和二甲基甲酰胺的混合溶液中，攪拌10min使之混合均勻，緩慢滴入水和硝酸，溶液中鈦酸異丙酯、二甲基甲酰胺、水、乙醇、硝酸各個(gè)反應(yīng)物的摩爾比為1∶4∶1.5～3.5∶8∶0.3～0.7；混合均勻后加入常規(guī)劑量的偶氮二異丁氰，攪拌至溶解；

所述的常規(guī)劑量是指按照高分子單體質(zhì)量1％加入偶氮二異丁氰；

3)將0.0025mol～0.0125mol的高分子單體溶解于質(zhì)量百分比為5～7％的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中，并與步驟2)得到的溶液混合攪拌30min；

所述的高分子單體為丙烯酰胺、二季戊四醇羥基五丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯和新戊二酸二丙烯酸脂、三甲基丙烷三丙烯酸酯或1，6-己二醇二丙烯酸酯；

4)將步驟3)得到的溶膠采用浸漬鍍膜的方式在步驟1)處理的基板上制備一層厚度均勻的薄膜；

5)將步驟4)得到的薄膜在紫外光下照射10～30min；

所述的紫外光的波長(zhǎng)為200～400納米，功率在500W以下；可選用波長(zhǎng)在365nm的高壓汞燈或主要波長(zhǎng)為253nm的低壓汞燈來(lái)實(shí)現(xiàn)誘發(fā)體系中的單體聚合；

6)將步驟5)得到的薄膜在200℃和600℃下分別熱處理10min，以除去薄膜中的有機(jī)物，得到具有相分離結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜。

采用本發(fā)明的方法，可以得到了二維的旋節(jié)相分離結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的銳鈦礦晶型的二氧化鈦薄膜，該薄膜不存在顆粒的晶界，且呈現(xiàn)了非常好的光催化性能。