[發明專利]一種交流電氧化金屬鈦制備二氧化鈦薄膜的方法

無效

• 申請號: 200710040493.1
• 申請日: 2007-05-10
• 公開（公告）號: CN101054711A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 崔曉莉;楊艷超;李志州;章壯健
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C25D11/26
• 分類號: C25D11/26;B01J21/06
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于二氧化鈦薄膜制備技術領域，具體涉及一種通過交流電直接氧化金屬鈦片制備納米結構二氧化鈦薄膜的新方法。

背景技術

從1972年發現半導體二氧化鈦在紫外光照射下將水分解成氫和氧氣以來，二氧化鈦在材料領域受到了廣泛的重視。TiO₂可用于光催化降解有機物、殺菌消毒、污水處理、空氣凈化、光催化分解水等多個方面。二氧化鈦薄膜制備工藝的研究是納米TiO₂光催化及光電轉換等應用的基礎和前提。目前，納米TiO₂的制備方法研究已成為光催化新材料開發的一個非常活躍的課題，已經報道的TiO₂薄膜制備方法很多，例如反應磁控濺射、溶膠-凝膠方法、化學氣相沉積方法等，這些方法各有其優缺點。如用直流反應磁控濺射等物理法在玻璃表面沉積TiO₂薄膜，得到的自清潔玻璃具有良好的透明性、較強的光催化性能和光致超親水性，薄膜均勻、厚度可控，但必須真空系統，設備價格昂貴，另外濺射速率也是制約其廣泛應用的瓶頸之一；應用溶膠-凝膠法制備TiO₂薄膜具有純度高、反應條件易于控制等優點，但在制備大面積薄膜時尚存在一定的難度。通過電化學沉積技術也可在導電的基片上制備TiO₂薄膜。鈦基/二氧化鈦薄膜電極在電化學工業、光催化等多個方面具有良好的應用前景而得到重視。在馬福爐中加熱氧化金屬鈦片或者應用火焰加熱氧化金屬鈦片均可得到TiO₂薄膜。在一定的溶液中施加直流電壓將金屬鈦片陽極氧化也可在其表面形成納米結構TiO₂薄膜，而應用交流電氧化金屬鈦片用于制備具有光電活性的納米結構TiO₂薄膜的研究未見報道。

發明內容

本發明的目的在于提出一種工藝簡單、控制方便的納米二氧化鈦薄膜制備方法。

本發明是一種用交流電氧化金屬鈦片制備納米二氧化鈦薄膜的方法，使用交流電解裝置，該裝置設有交流電源調壓器、電解池、攪拌子、電流表和電壓表，以金屬鈦片作為工作電極，以石墨為對電極，電解液由0.5-1M的NH₄SO₄與該組分重量0.1-1wt％的NH₄F組成。制備裝置見示意圖1。調節調壓器的輸入電壓，從而以調節流過金屬鈦片的電流，直接氧化金屬鈦片，得到鈦基二氧化鈦薄膜；氧化時的溫度為0～100℃，控制電壓為10-50V，通電時間為1～30min。在通電的過程中，表面的Ti被氧化形成TiO₂薄膜，薄膜結構如圖2所示。

實驗表明，由本發明制備的納米二氧化鈦薄膜為銳鈦礦和金紅石混合晶型，呈現多孔狀納米結構，具有典型的n型半導體的特征和良好的光電性能。

1.在白光照射下，以本發明制備的TiO₂薄膜表現出明顯的陽極光電流，0V時光電流密度約為0.22～0.24mA.cm^-2，如圖3和圖6所示，說明由該新方法制備的納米TiO₂薄膜具有典型的n型半導體的特征，可在太陽能光電轉換和光催化分解水中得到應用。

2.薄膜的XRD測試表明，以本發明制備的TiO₂薄膜結構為銳鈦礦和金紅石混合晶型，如圖4所示。

3.薄膜的SEM測試表明，以本發明制備的TiO₂薄膜結構為多孔狀兩層結構，如圖5和圖7所示。鈦金屬經過陽極氧化后，表面呈現明顯的兩層，其中上面一層由1微米左右的團聚物組成，第二層是由多孔狀的海綿體態氧化膜構成。并且當電壓和氧化時間不同時，表面形貌也呈現不同的現象。團聚物由許多非常小的顆粒聚集在一起形成的，表面分布不規則，顆粒粒徑分布不均勻。氧化膜表現出多孔狀結構，孔徑分布不均勻，孔徑在100nm以下，并且孔與孔之間有相通。

本發明方法使用設備和工藝簡單控制方便，制備獲得TiO₂薄膜光電性能良好。

附圖說明

圖1交流電氧化鈦片制備TiO₂薄膜實驗裝置示意圖。

圖2TiO₂薄膜的結構示意圖。

圖3交流電氧化鈦片制備TiO₂薄膜的光電流測定，a，光電流b，暗電流(交流電壓50V，氧化時間為3min，450℃熱處理1小時，氙燈光源，白光250mW/cm²)。