[发明专利]一种二氧化钛纳米薄膜复合材料及其恒电流制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米多孔薄膜及其制备方法，尤其涉及一种应用于电催化领域的孔径小、高孔隙率的纳米多孔TiO₂薄膜及其制备方法。

背景技术

纳米多孔金属材料是指具有显著表面效应、孔径介于0.1-100nm、孔隙率大于40％、具有高比表面积的多孔固体材料。它除了具有金属材料基本的金属特性(高导热率、高导电率、耐蚀性、抗疲劳性等)以外，还具有一些致密金属块体材料所没有的性能，比如：充满纳米孔隙的结构使它的比重相对变小，相应的也增大了它的比表面积；纳米尺度的金属结构架保持了良好的力学性能，这也就相应节约了原材料。纳米多孔TiO₂材料因其具有大的比表面积，高的电导率、热导率，以及稳定的机械、化学、电化学性能，已成为电催化材料常用的载体。这些载体有利于纳米贵金属粒子在其中的高度分散，促进电催化氧化过程中的电子转移，促使燃料电池电极的反应物和产物的快速运输，以提高整体催化剂的性能。其在新能源，尤其是醇类燃料电池方面有很大的应用前景。

纳米多孔金属材料的制备方法主要有两种：模板法和去合金化法。模板法，是以多孔材料为模板，将目标金属通过某种技术沉积在该模板上，沉积完成后通过热处理或化学等方法去除多孔模板，从而得到与原模板相似或相同结构的纳米多孔材料。该方法制得的多孔材料的孔隙排布高度有序，得到的孔隙的形状和大小都取决于模板结构，但是模板的制备工艺繁杂，费用高，不适合大量生产。脱合金法，是指在合金组元间电极电位相差较大的条件下，合金组元中化学性质较活泼的元素在电解质的作用下选择性溶解进入电解液而留下化学性质较稳定元素的腐蚀过程。脱合金法的工艺简单，过程容易控制，也可以大量生产，因此脱合金法成为目前制备纳米多孔金属材料常用的方法，现在脱合金法一般有自由腐蚀和恒电位电化学腐蚀法等，但这两种方法铜的溶解速率不能被直接控制，并且在恒电位法中，在电位达到临界电位时，铜的溶解速率达到最大值。超过临界电位后，铜的溶解速率会迅速下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低、制备过程简单的在Ti-Cu非晶合金表面制备纳米多孔TiO₂薄膜结构的方法，利用恒电流脱合金法制备出孔径小、高孔隙率、且分布均匀的多层的纳米多孔结构复合材料。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

选用非晶态Ti-Cu合金置于电解溶液中，利用三电极体系采用恒电流法进行脱合金过程，铂网电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，非晶态合金Ti-Cu作为工作电极，电流密度为0.8mA/cm²-2mA/cm²，脱合金的时间为3600s-10800s，电解溶液为20％-50wt％的硝酸水溶液，电解溶液的温度为50℃-80℃。

所述电流密度优选为1.2mA/cm²-1.8mA/cm²

所述脱合金时间优选为5000s-10000s

所述电解溶液优选为25％-35wt％的硝酸水溶液

所述电解溶液的温度优选为60℃-70℃

所述非晶态Ti-Cu合金中，按原子百分比计，Ti的含量为20％-50％，Cu的含量为50％-80％。

本发明的技术方案将Ti-Cu非晶合金条带置于电解溶液中，运用三电极体系反应进行脱合金，从而制备出孔隙分布均匀的纳米多孔薄膜结构，实施费用低、操作简便，反应温度低，是一种高效经济的合成方法。制备出的二氧化钛薄膜具有孔隙分布均匀的纳米多孔薄膜结构，薄膜中的纳米多孔呈现出相互贯通的双连续结构形貌，纳米孔径为50-100nm，且纳米孔分布均匀(如附图1所示，扫描电镜为S4800；Hitachi，Japan)。经XPS(X射线光电子能谱分析)和XRD(RIGAKU/DMAX2500，Japan)分析可知，制备后的二氧化钛显示为脱钛矿型二氧化钛，且由图2(a)可知结合能在464.3eV和458.7eV，则证明Ti是+4价的；由图2(b)可知结合能在530.0eV，证明了O是-2价的。利用Gamry Ref600电化学工作站对制备的纳米多孔二氧化钛薄膜进行电化学表征，如附图4所示，在碱性的乙二醇介质中，乙二醇在电压正向扫描时表现出了一定的氧化性，可见纳米多孔结构对于乙二醇氧化的催化作用明显。

附图说明