[发明专利]表面粗糙的二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜及制备方法，属于二氧化钛纳米材料技术。

背景技术

纳米二氧化钛是一种重要的无机功能材料，由于其具有独特的能带结构及化学稳定性而被广泛用做染料敏化太阳能电池的光阳极材料。传统的光阳极一般为二氧化钛纳米晶颗粒薄膜，近年来，二氧化钛纳米阵列结构由于其独特的结构特征而得到人们的广泛关注。二氧化钛纳米阵列结构能够增加光子的散射，增加了光子在电极材料中的传输路径，有利于增强光的吸收；同时，阵列电极材料由于具有有序结构，且垂直于电极表面，可最大限度的减少电荷在电极材料中的传输路径，减少界面复合的机会。但目前制备的二氧化钛纳米管阵列表面较光滑，降低了比表面积，且不利于染料的吸附，影响其应用性能。

二氧化钛纳米管阵列薄膜表面粗糙化处理的方法主要有两种，一种方法是通过控制阳极氧化的过程，改变电解质成分，但这种方法在增加比表面积的同时，也会使管径变大，管壁变厚；另一种方法是采用四氯化钛溶液处理，在二氧化钛纳米管表面附载二氧化钛纳米颗粒，但这种方法反应过程不易控制，形成的纳米颗粒不均匀，附载使管壁变厚，一定程度上减小了比表面积。本发明通过溶解管壁及再吸附的反应过程，避免了增加管壁厚度，制备的表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构，提高比表面积，增强光的散射作用，利于染料的吸附。

发明内容

本发明目的在于提供一种表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜及制备方法。所述的薄膜具有优良的光电性能和化学稳定性，该方法制备过程简单，易于操作。

本发明是通过下述技术方案实现的，一种表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜，该薄膜形成于金属钛的基体上的，其特征在于，该薄膜厚度为2~40μm，它是由3~5nm的二氧化钛纳米颗粒堆积成的蜂窝结构，其中，纳米蜂窝平均孔径为50~80nm，蜂窝壁平均厚度为20~30nm。

上述表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将工业纯钛片分别在去离子水，乙醇和丙酮中超声清洗，空气中干燥后，在质量分数0.25-0.75%氟化铵、体积分数1%水的乙二醇电解液中，以钛片作为阳极，铂电极作为阴极，在电压40-60V条件下阳极氧化得到二氧化钛纳米管阵列薄膜；

2）将步骤1）得到的二氧化钛纳米管阵列薄膜加入到摩尔浓度为1-8mol/L的氢氧化钾或氢氧化钠溶液中在室温下反应8分钟至168小时后，二氧化钛纳米管阵列反应形成蜂窝及蜂窝内的纳米线，并且上面覆盖一层无序二氧化钛层构成二氧化钛复合薄膜；

3)将步骤2）得到的复合薄膜加入摩尔浓度为0.3-1mol/L的醋酸或醋酸铵溶液中，于室温下处理5-60分钟后，在去离子水中超声5分钟至15分钟去除表面无序二氧化钛层，得到无定形表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜；

4)将步骤3）得到的无定形表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜置于马弗炉中，在空气气氛中，以10℃/min的升温速率，升温至400-500℃保温0.5-5小时，随炉冷却至室温；最终得到锐钛矿型表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜。

与现有技术相比，本发明优点是：操作简单，成本低。设备为普通的阳极氧化装置，马弗炉，无需其他大型或复杂设备。蜂窝的平均直径可以通过控制前驱纳米管的孔径来控制，而纳米管的直径控制可直接通过改变阳极氧化电压来实现。相比阳极氧化形成的二氧化钛纳米管阵列而言，该薄膜具有更大的比表面积。

附图说明

图1为实施例2所制得表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜平面的SEM图。

图2为实施例2所制得表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜平面局部放大的SEM图。

图3为实施例2所制得表面粗糙二氧化钛纳米蜂窝结构薄膜侧面的TEM图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，这些实施例只是用于说明本发明，并不限制本发明。

实施例一