[發(fā)明專利]一種無氟單晶TiO2納米薄膜的制備方法

有效

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• 申請日: 2013-06-19
• 公開（公告）號: CN103320856A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發(fā)明（設計）人: 廖宇龍;張懷武;鐘智勇;白飛明;李頡
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B1/02
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 李順德;王睿

技術領域

本發(fā)明屬于功能材料技術領域，涉及TiO₂納米薄膜，尤其是經脫氟處理的單晶銳鈦礦型(001)暴露的TiO₂納米顆粒薄膜的制備方法。

技術背景

TiO₂是一種寬禁帶半導體，具催化活性高、物理和化學性質穩(wěn)定、成本低廉等特點。近年來，高表面能和高活性（001）面型TiO₂納米顆粒的制備和應用受到科學界和工程界廣泛關注。而單晶TiO₂納米材料比多晶TiO₂納米材料在有序異質結的應用中具有更多的優(yōu)勢和特點，尤其具具有（001）面暴露的TiO₂單晶納米顆粒表現(xiàn)出更高的光催化活性和電化學活性。目前人們采用水熱法制備出了各種粉末狀的（001）面暴露的TiO₂納米顆粒，這些納米粉末在光催化，染料敏化太陽能電池，傳感器等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但分離、回收和固化這些納米粉體會增加額外的成本。

在某些特定領域中，比起粉末狀的TiO₂納米顆粒，更需要固載化的薄膜狀（001）面暴露的TiO₂納米顆粒薄膜材料。例如，在電池中，TiO₂薄膜作為電極材料；在光催化中，TiO₂薄膜作為固載光催化平板。另外，實際應用過程中表面無氟化也是制約這種（001）面暴露的TiO₂納米顆粒薄膜的性能關鍵因素之一。目前傳統(tǒng)水熱法制備的（001）面型TiO₂納米粉末表面含有大量的氟離子，嚴重地鈍化了表面活性，降低了其光催化性能和光電轉換性能。因此去除TiO₂（001）表面的氟離子，制備表面無氟化的單晶銳鈦礦型TiO₂(001)納米顆粒薄膜，對于眾多技術領域有著至關重要的意義和應用研究價值，在太陽能光伏電池、鋰離子電池、光催化、多相催化、氣體傳感器和光子晶體等領域具有很廣泛的應用前景。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種無氟單晶TiO₂納米薄膜的制備方法，該方法所制備的TiO₂納米薄膜由金屬鈦基板上的TiO₂納米顆粒組成，其中TiO₂納米顆粒呈單晶銳鈦礦型、且（001）暴露，同時本發(fā)明制備的TiO₂納米薄膜不含氟，因此具有更高的光催化性能和光電轉換性能，在太陽能光伏器件、光分解水和光催化等方面有著廣泛的應用前景。

本發(fā)明技術方案如下：

一種無氟單晶TiO₂納米薄膜的制備方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1：以金屬鈦片為襯底材料，首先采用陽極氧化工藝，在含氟的有機電解液中對金屬鈦片進行氧化，在金屬鈦片表面生成無定型態(tài)TiO₂納米管陣列薄膜；

步驟2：將表面生成了無定型態(tài)TiO₂納米管陣列薄膜的金屬鈦片置于質量百分比濃度不超過2%的氟化銨水溶液中浸泡2～5分鐘后取出晾干；

步驟3：將步驟2處理后的TiO₂納米管陣列薄膜連同金屬鈦片一起，置于封閉容器中，在450～550℃的溫度條件下煅燒1～2小時，得到附著在金屬鈦片表面且表面含氟的TiO₂納米薄膜；所述TiO₂納米薄膜由(001)面暴露的單晶銳鈦礦型TiO₂納米顆粒組成；

步驟4：將步驟3得到的附著在金屬鈦片表面且表面含氟的TiO₂納米薄膜，置于450～600℃的溫度條件下煅燒1～3小時以進行脫氟處理，最終得到無氟單晶TiO₂納米薄膜；所述無氟單晶TiO₂納米薄膜由(001)面暴露的單晶銳鈦礦型TiO₂納米顆粒組成，且表面不含氟。

本發(fā)明的實質在于：本發(fā)明采用無定形態(tài)的TiO₂納米管陣列薄膜為前驅物，首先將前驅物置于一定濃度的氟化銨水溶液中浸泡一定時間，以初始化前驅物中所含氟離子濃度；然后將含特定濃度氟離子的前驅物置于封閉容器中煅燒一定時間，使得TiO₂納米管陣列薄膜前驅物在氟離子的催化作用和高溫作用下坍塌并轉變?yōu)楸砻婧⑶?001)暴露的TiO₂納米顆粒、最后在450～600℃的溫度和空氣氣氛條件下進行熱處理1～3小時進行脫氟處理，得到最終的無氟單晶TiO₂納米薄膜。