[發明專利]利用飛秒激光制備暴露高活性面的二氧化鈦的方法及系統

有效

• 申請號: 202010579947.8
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111850653B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 姜瀾;閆劍鋒;喬明
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京理工大學
• 主分類號: C25D11/26
• 分類號: C25D11/26
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

本發明提出了一種利用飛秒激光制備暴露高活性面的二氧化鈦的方法及系統，屬于飛秒激光應用技術領域。本發明首先利用陽極氧化法，在鈦片表面制備了固體二氧化鈦納米管陣列薄膜，然后通過飛秒激光逐行掃描獲得具有暴露{010}晶面的銳鈦礦二氧化鈦。與傳統方法相比，本發明具有可對固體二氧化鈦進行直接加工、加工環境要求低、能量利用率高、速度快等優點。利用本發明的方法及系統制備得到的暴露{010}晶面的銳鈦礦二氧化鈦，可以用于光催化和制備太陽能電池，有利于獲得高的光催化或光電轉化效率。

技術領域

本發明屬于飛秒激光應用技術領域，具體涉及利用飛秒激光制備暴露高活性面的二氧化鈦的方法及系統。

背景技術

高效地利用太陽能是解決目前人類所面臨的能源問題和環境問題的重要手段。二氧化鈦(TiO₂)是最常用的半導體光催化材料，因具有高穩定性、無毒、廉價等特點，已被廣泛應用于光電化學水解產氫、光催化水解產氫、光催化降解有機污染物等領域。但二氧化鈦的催化性能受限于只能吸收紫外光和光生電子與空穴的快速復合，為此研究人員針對二氧化鈦的形貌、結構、暴露晶面、能帶等開展了大量的研究。理論計算和實驗結果表明，暴露高活性晶面的二氧化鈦具有較高的催化活性(Chemical reviews 2014,114,19,9559-9612)，其中主要暴露{010}晶面的銳鈦礦二氧化鈦因表面原子結構、能帶結構和不同晶面的協同作用而表現出最佳的催化性能(AngewandteChemie International Edition 2011,9,2133-2137)。

暴露{010}晶面的銳鈦礦二氧化鈦通常采用化學方法制備，大多數通過控制水熱反應過程中的氟離子濃度(CN106082321A；CN101670280A；Nature 2008,453,7195,638)和pH值(CN103086424A；CN105347393A；Nano Lett 2005,5,1261)實現，但該方法只能以鈦的前驅體溶液為原料，通常需要在高壓反應釜中進行，所得產物為納米顆粒、納米片或納米帶等分散的材料，其應用范圍受到嚴重限制。對固體二氧化鈦，常采用熱處理的方法獲得銳鈦礦二氧化鈦，但熱處理方法通常只能獲得主要暴露低活性的{101}晶面的銳鈦礦二氧化鈦，無法獲得暴露{010}晶面的銳鈦礦二氧化鈦。CN108788472A及《光學通訊》(OpticsCommunications 2019,441,49-54)報道了利用飛秒激光在固體二氧化鈦表面燒蝕形成周期性微納結構的方法，CN110230084A報道了一種基于飛秒激光退火處理在鈦表面獲得圖案化的銳鈦礦或金紅石二氧化鈦的方法，但以上方法也無法獲得暴露{010}晶面的銳鈦礦二氧化鈦。目前，還沒有能夠直接對固體二氧化鈦進行加工獲得暴露{010}晶面的銳鈦礦二氧化鈦的方法。尋找一種以固體二氧化鈦為原料，暴露{010}晶面的銳鈦礦二氧化鈦的制備新方法對于提高二氧化鈦催化劑活性具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是提出一種利用飛秒激光制備暴露高活性面的二氧化鈦的方法及系統，以解決傳統方法中無法對固體二氧化鈦進行加工后獲得暴露{010}晶面的銳鈦礦二氧化鈦的技術難題。

本發明提出的利用飛秒激光制備暴露高活性面的二氧化鈦的方法，包括以下步驟：

(1)利用陽極氧化法，在鈦片表面制備固體二氧化鈦納米管陣列薄膜，過程如下：

(1-1)將鈦片依次放入乙醇和去離子水中超聲清洗三遍，烘干待用；

(1-2)按體積比為1:49～1:99量取水和乙二醇，配置成溶液A；

(1-3)向溶液A中加入質量分數為0.4％～0.6％的氟化銨，得到溶液B；

(1-4)利用步驟(1-3)的溶液B，以步驟(1-1)的鈦片為陽極，鉑網為陰極，進行陽極氧化，溫度為23℃，電壓為20V～40V，時間為1～2小時，得到表面為固體二氧化鈦納米管陣列薄膜的鈦片；

(1-5)將步驟(1-4)的鈦片置于乙醇和去離子水中清洗若干次、烘干備用；