[发明专利]一种单晶锐钛矿二氧化钛膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单晶锐钛矿二氧化钛膜的制备方法，属纳米材料技术领域。

背景技术

不同的纳米结构对二氧化钛在光催化、光电催化、气体传感器、薄膜太阳能电池、锂离子电池和电致变色等众多应用领域的性能表现有着重要的影响。迄今，人们已经合成了纳米管、纳米线、纳米棒、纳米条带、纳米花、空心纳米微球、多晶面微球等多种形态的二氧化钛，这些形貌各异的纳米结构都表现出了各自不同的优异的物理化学及光电性能。

在二氧化钛常见的三种晶体结构中，相对于金红石和板钛矿，锐钛矿具有最佳的光催化性能。已有研究结果同时表明，相对于最稳定的{110}晶面，锐钛矿相的{001}晶面能量较高，也具有更高的光催化活性。因此，具有高比率{001}晶面的锐钛矿的合成，吸引了国内外许多研究者的注意。2008年，澳大利亚的Yang等人采用TiF₄和HF溶液，在水热条件下率先合成了具有高比率{001}晶面的锐钛矿单晶粉末，所得单晶为具有高对称性的截角八面体结构。由于F^-离子在{001}晶面上的选择性吸附稳定了该晶面，使得热力学上相对不稳定的{001}晶面的大量存在成为可能。但是，TiF₄价格昂贵，且在空气中容易吸水分解，稳定性差难以处理。2010年，中科院的Liu等人将金属钛粉末置于H₂O₂+HF水热体系中，也获得了类似结构的锐钛矿单晶粉末。

在光催化污水处理等实际应用中，为了避免后续繁琐的催化剂粉末回收过程，经常需要将二氧化钛粉末固载于基板上。这可以通过将二氧化钛粉末制成浆料，以刮浆烧结的技术实现。可以预见的是，在特定基板上原位反应形成的二氧化钛膜将具有更为理想的结合力，而且可以略去中间的刮浆烧结步骤。

发明内容

本发明的目的是提供一种过程简单、成本低的高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的制备方法。

本发明的单晶锐钛矿二氧化钛膜的制备方法，包括以下步骤：

1)将质量浓度为50～55％的氢氟酸、质量浓度为65～68％的硝酸与去离子水按体积比1∶3∶6混合，得酸洗液；

2)配制质量浓度为0.15～0.80％的氟化氢水溶液，置入聚四氟乙烯水热罐中，氟化氢水溶液与水热罐的体积比为4∶5；

3)将厚度为1毫米以上的金属钛板用步骤1)的酸洗液酸洗后，再用去离子水超声波清洗干净，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应3～12小时，用去离子水清洗，干燥，得到附着在金属钛板上的单晶锐钛矿二氧化钛膜。

本发明方法制得的单晶锐钛矿二氧化钛膜，厚度约100微米，由大小约数微米的截角八面体单晶组成，上下两平行面为具有高光催化活性的锐钛矿{001}高能晶面。

本发明采用金属钛板和氟化氢水溶液直接反应的方法简便易行，不需要模板剂和催化剂，不需后续热处理。制得的单晶锐钛矿二氧化钛膜附着力强，质量好，具有高光催化活性的锐钛矿{001}高能晶面。可广泛应用于光催化、气体传感器和薄膜太阳能电池等领域。

附图说明

图1为实施例1制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图2为实施例1制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的X射线衍射图；

图3为实施例1制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的截面的场发射扫描电子显微镜照片；

图4为实施例2制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图5为实施例3制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图6为实施例4制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图7为实施例5制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图8为实施例6制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图9为实施例7制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图10为实施例8制备的表面覆盖高比率{001}晶面单晶锐钛矿二氧化钛膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明方法。

实施例1