[发明专利]一种多孔氮化钛纳米管阵列薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合结构技术领域。具体涉及一种多孔氮化钛纳米管阵列薄膜及其制备方法。

技术背景

近年来，纳米材料由于其极大的科学价值及潜在的应用价值，引起了人们的广泛关注。理论和实验研究表明，相对于块体材料来说，纳米结构表现出更为优越的性能。特别是一维纳米材料（如纳米线和纳米管）具有一维的电子传导通道，因而表现出优异的光电化学性能。TiN是一种良好的类金属物质，由于其良好的导电性能和耐磨性能、稳定的理化学性能、低成本和无毒的特点，并且TiN与Pt等贵金属具有类似的电子层结构 [E. Furimsky, Appl. Catal. A 2003, 240, 1.[20] Q.W. Jiang, G. R. Li, X. P. Gao, Chem. Commun. 2009, 6720.]，以及在KOH等电解液中具有良好的抗腐蚀性能 [Q.W. Jiang, G.R. Li, X.P. Gao, Chem. Commun. (2009) 6720.]被广泛的应用于太阳能电池、超导材料和能源材料材料领域。而在太阳能电池及锂离子电池和超级电容器等领域中都希望TiN具有更大的比表面积，良好吸附电解液的性能。多孔材料由于其大的比表面积和便捷的物质传递通道被广泛应用在太阳能电池，电容器生物域具有广泛的应用前景。多孔材料由于其具有巨大的比表面积和三维的通道，从而有利于电解液的流动和离子的迁移，成为太阳能电池、锂离子电池和超级电容器最理想的材料之一。

目前有关制备TiN粉体的专利有很多，涉及的方法有气体辅助蒸发法，熔盐电解法，等离子化学气相反应法，如“TiN纳米粉体的制备方法”（200810062468.8)技术，金属钛粉直接氧化法，以及机械合金化法等。通过熔盐电解法或者在含氮气氛中球磨金属钛粉体生产设备要求高，成本较高，且高能球磨法产物杂质比较多。TiN薄膜由于在可见光区透射率较高和在近红外区反射率较高，因而被广泛应用于低辐射玻璃领域。有关合成TiN薄膜的方法，一般采用磁控溅射化学气相法在金属基底或者半导体基底上沉积均匀致密膜，如“一种利用直流磁控溅射制备彩色TiN薄膜的方法”（ 201110102624.0）专利技术。同样合成多孔材料的方法也很多包括采用聚合物，氧化硅以及其他的生物体为模板，但是氮化物碳化物多孔材料却研究较少。Jin Ho Bang等采用Zn₂TiO₄为前驱物，在高温退火氨化同时将Zn蒸发掉，得到多孔TiN微球[Adv. Mater. 2009, 21, 3186–3190]。但是还没有相关的专利和报道合成多孔的TiN纳米管阵列薄膜。

发明内容

本发明旨克服现有的技术缺陷，目的是提供一种方法简单和工艺可靠的多孔氮化钛纳米管阵列薄膜的制备方法，用该方法制备的多孔氮化钛纳米管阵列薄膜从管口到管底部均匀分布有纳米尺寸的孔洞。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先将打磨和抛光后的含钛金属片作为阳极置入电解液中进行阳极氧化，阳极氧化的电压为10~60V，阳极氧化的时间为0.5~5小时；再将阳极氧化后的含钛金属片进行清洗，干燥，然后将干燥后的含钛金属片在空气中于300~600℃条件下进行退火处理，最后将退火处理后的含钛金属片于300~800℃条件下，在含氮前驱物的体积含量为10～100％的气氛中以1～20℃/min的速度进行退火，随炉冷却，在含钛金属片表面得到氮化钛纳米管阵列薄膜。

所述含钛金属片的钛含量为50~99.99wt%。

所述抛光是先将打磨后的含钛金属片分别用乙醇、丙酮和蒸馏水先后进行超声清洗，再在HF︰HNO₃︰H₂O的体积比为1︰(2~5)︰(4~7)的溶液中进行化学抛光，化学抛光的时间为3～10min；然后用蒸馏水清洗，用氮气吹干。

所述电解液为1~20wt%的Na₂SO₄、0~2wt%的柠檬酸、0.05~5wt%的含氟离子和75~98wt%的H₂O的混合溶液，或为0.05~5wt%的含氟离子、0.5~35wt%的H₂O和60~99wt%的乙二醇的混合溶液，或为0.05~5wt%的含氟离子、0.5~35wt%的H₂O和60~99wt%的丙三醇的混合溶液。