[发明专利]一种非金属掺杂的、孔洞有序的二氧化钛多孔薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛多孔薄膜制备方法，特别是一种非金属掺杂的、孔洞有序的二氧化钛多孔薄膜制备方法。

背景技术

由于具有更好的光能俘获能力及更好的光生载流子产生、分离与传递能力，孔洞有序二氧化钛多孔薄膜材料可以广泛地应用于太阳能电池、太阳能光解制氢、传感器及光催化降解有机污染物等领域。研究表明，二氧化钛多孔薄膜材料的孔洞有序度越高，其太阳光俘获性能及光生载流子转移及传递性能越好。然而，由于二氧化钛的能带隙较宽（二氧化钛有两种晶型：金红石和锐钛矿，前者的能带隙为3.0 eV, 后者为3.2 eV），仅仅能利用紫外光。因此，通过阴离子或者阳离子掺杂、染料敏化、与窄带半导体结合等手段来降低其能带隙，是拓展其光吸收性的必要途径。

目前，孔洞有序的二氧化钛多孔薄膜材料是通过阳极氧化法或者模板法制备的。阳极氧化法能够获得孔洞结构可控的二氧化钛纳米管阵列薄膜，但是由于仪器设备的限制，这一方法只能制备小面积的孔洞有序二氧化钛多孔薄膜材料。模板法也能够制备孔洞有序的二氧化钛纳米管阵列薄膜，但是所制备的有序二氧化钛纳米管阵列膜受模板的限制。因此，以上述两种制备方法都远远不能满足大面积制备的实际需求。

基于阳极氧化法和模板法的不足，有人以各种方法实现了大面积二氧化钛多孔薄膜的制备。然而所制备的二氧化钛多孔薄膜中的孔洞都是无序的，这一特点将导致载流子传递过程中更强的散射行为，严重制约其性能的发挥。而至今为止，各种方法都未考虑过对孔洞的有序性进行调控。

此外，对孔洞有序的二氧化钛多孔薄膜材料的非金属元素掺杂改性通常是将制备好的孔洞有序二氧化钛多孔薄膜材料进一步反应实现的。这样的分步处理，不仅导致制备成本的增加，也会导致高度有序二氧化钛多孔薄膜材料的性能下降。因此，需要开发出一项孔洞有序二氧化钛多孔薄膜制备技术并且在制备过程中同时实现非金属元素掺杂，既而能够很好的解决上述问题。

目前公开的专利文献中，中国专利ZL201010203358.6公开了一种具有可见光活性的碳氮改性纳米二氧化钛薄膜的制备方法，该制备方法的步骤为：(1)金属钛表面的刻蚀清洗；(2)采用过氧化氢溶液氧化金属钛表面形成过氧钛酸纳米花状薄膜；(3)采用水热法形成二氧化钛纳米薄膜；(4)在尿素分解的气氛中焙烧形成改性二氧化钛纳米线薄膜。该方法通过对使尿素在加热过程中分解出的气体实现对二氧化钛薄膜的碳氮改性。但是，该法没有考虑薄膜中形成孔洞的问题，更未考虑对孔洞的有序性进行调控。

中国专利ZL200710074630.3公开了一种二氧化钛薄膜及其制备方法，该技术是将二氧化钛、分散剂、造孔剂、部分水和硝酸混合后慢慢研磨开，再将剩余的水缓慢加入，再研磨40--60分钟后，添加乳化剂继续研磨，得二氧化钛浆料；用刮刀法制膜于导电玻璃上，室温下干燥12--48小时；将干燥好的薄膜放于马福炉中进行烧结，制得二氧化钛薄膜。该方法的不足在于：(1)未考虑掺杂改性；(2)制备出来的二氧化钛薄膜的孔洞有序性低。

中国专利申请200810198716.1公开了一种纳米二氧化钛薄膜光催化剂的制备方法，该法是将钛酸正丁酯的醋酸溶液和非离子型模板剂的乙醇溶液混合搅拌制成钛溶胶，经浸渍提拉、干燥、高温煅烧，即得到纳米二氧化钛薄膜光催化剂。该方法的不足是：(1)未考虑掺杂改性；(2)未考虑孔洞的构建，即便制备出来的二氧化钛薄膜是多孔的，其孔洞有序性也非常低。