[發(fā)明專利]低溫水熱法制備二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合電極的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910024976.1
• 申請日: 2009-02-27
• 公開（公告）號: CN101497427A
• 公開（公告）日: 2009-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陶杰;董祥
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;C01G23/047
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 陸志斌

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低溫水熱法制備二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合電極的方法。

二、背景技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)：納米TiO₂是一種重要的無機(jī)功能材料，因具有光電轉(zhuǎn)化、氣敏、介電效應(yīng)及優(yōu)異的光催化性能等優(yōu)點，使其在太陽能電池、傳感器、介電材料、自潔材料和光催化降解有機(jī)物等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景，成為國內(nèi)外研究的熱點。最近幾年，很多研究者都致力于合成不同形貌的TiO₂納米、微米物，例如納米管，納米棒，納米線，納米球等等(Wang?D，Yu?B，Hao?J，Liu?W.Mater?Lett2008；62：2036-2038.)。在這些TiO₂納米、微米物中，具有統(tǒng)一取向的納米棒陣列因為其一維電子傳導(dǎo)能力，大比表面積，以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)性能而引起廣泛的關(guān)注。一般而言，鈦的醇鹽或者鈦的鹵化物用作制備TiO₂納米棒的前驅(qū)物，但是這兩種物質(zhì)往往成本較高，并且容易對環(huán)境產(chǎn)生污染。同時前驅(qū)物的處理需要多個步驟，費時費力。因此，選用純鈦作為前驅(qū)物通過水熱反應(yīng)來制備TiO₂納米棒陣列復(fù)合電極是一種簡單可行的方法，但水熱溶液的種類和濃度是制備TiO₂納米棒陣列的關(guān)鍵因素。

目前，已經(jīng)采用多種物理、化學(xué)及電化學(xué)技術(shù)制備出二氧化鈦納米線、納米管、納米棒等粉體。2001年美國科學(xué)家Varghese利用電化學(xué)氧化的方法，首次制備出了TiO₂納米管陣列(Dawei?G，et?al，J.Mater.Res.，2001，16：3331)，隨后進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼玫浇Y(jié)晶的納米管陣列，并表現(xiàn)出優(yōu)異的氣敏、光催化性能。目前有關(guān)TiO₂納米棒陣列的制備方法有熱氧化法、模板法、水熱法、原子束沉積法。2005年P(guān)ENG.X利用熱氧化的方法在鈦基底上高溫氧化制備了TiO₂納米棒陣列(PENG.X，Appl.Phys.A，2005，80：473)，此方法需要兩步加熱氧化，并且需要在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行高溫氧化，因此工序復(fù)雜，對設(shè)備要求高。其他的課題組利用AAO模板制備出TiO₂納米棒陣列(蔣武鋒等，材料科學(xué)與工程學(xué)報，2006，104：805)，AAO模板作為一種通用的模板已經(jīng)應(yīng)用于制備多種物質(zhì)的管、棒陣列，但這種方法最大的劣勢在于AAO模板不能重復(fù)利用，并且不適合大規(guī)模制備。2006年南京大學(xué)的馬國斌報道了以四氯化鈦為前驅(qū)物，利用微波水熱的方法在硅片和蓋玻片上制備了金紅石型的TiO₂納米棒陣列(馬國斌等，中國體視學(xué)與圖像分析，2006，11(4)：243)，但其制備工序復(fù)雜，薄膜和基底的結(jié)合力不好，且四氯化鈦對環(huán)境會造成污染。2008年Wilson?Smith等人采用原子束沉積的方法在硅片或者玻片上制備了復(fù)合的TiO₂納米棒陣列，并顯示出優(yōu)異的光催化性能。這種物理的制備方法對設(shè)備要求高，制備成本較高。綜合以上各種方法的優(yōu)缺點可知水熱法是一種高效、低成本、簡單實用的一步制備結(jié)晶性TiO₂納米棒陣列的方法。其中浙江大學(xué)的吳進(jìn)明在2005年、2006年申請了關(guān)于金屬鈦板表面，雙氧水溶液中熱水制備TiO₂納米棒陣列的專利(吳進(jìn)明，CN200510060751、CN200610052743.9)。這兩項專利中使用的水熱溶液都是單一組分的雙氧水溶液。由此可見，制備TiO₂納米棒陣列的技術(shù)難點：(1)二氧化鈦納米棒陣列的取向性難于得到控制，必須借助于模板或者定向沉積生長，但這種方法繁瑣，且對儀器設(shè)備要求較高；(2)TiO₂納米棒陣列的接觸層對于納米棒陣列的機(jī)械性能尤為重要。如果TiO₂納米棒陣列是原位在純鈦表面生長而成，純鈦層作為TiO₂納米棒陣列薄膜的接觸層，則可以保證TiO₂納米棒陣列薄膜層具有良好的機(jī)械性能。選擇其他物質(zhì)作為基底往往會造成TiO₂納米棒陣列薄膜和基底的結(jié)合性能不好，從而影響其應(yīng)用性能；(3)水熱法雖然簡單實用，但是水熱溶液的種類和濃度是制備單一取向的TiO₂納米棒陣列的兩大關(guān)鍵因素。一般而言，水熱反應(yīng)是不具有定向維度生長特性的，產(chǎn)物是在三維空間內(nèi)同時生長，產(chǎn)物往往是顆粒物。要制備在特定維度生長的產(chǎn)物，必須使用具有定向吸附的特殊溶液才能限制物質(zhì)在其他維度方向上的生長，保證物質(zhì)在特定維度方向上的生長。另外一方面，溶液的濃度會影響反應(yīng)速率以及反應(yīng)進(jìn)行的方向。在水熱反應(yīng)中首先是物質(zhì)被水熱溶液溶解，然后在高溫高壓條件下形核生長，溶解反應(yīng)是為結(jié)晶生長提供晶體生長原料，結(jié)晶生長則是消耗原料。因此，只有在合適的溶液濃度下才能使原料的“產(chǎn)出”和“消耗”這兩個過程平衡進(jìn)行，從而保證產(chǎn)物具有統(tǒng)一取向，否則無法控制產(chǎn)物的形貌和取向。