[发明专利]一种形貌和成分可控的金属氧化物薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电化学电池领域，具体为一种形貌和成分可控的金属氧化物薄膜的制备方法。

背景技术

光电化学水分解电池是太阳能转化和存储的有效途径之一，它将太阳能以氢键的形式固定转化。光电极是光电化学电池的核心部件，它吸收入射的太阳能光并诱导水分解反应来实现太阳能的转化和存储。金属氧化物具有高稳定性、高活性和低成本等优点，是一种理想的半导体光电极材料。

金属氧化物的表面原子/电子结构直接决定光生电荷的表面转移过程，最终影响光电极的量子转化效率。金属氧化物半导体不同晶面具有不同的表面原子/电子结构，展现出不同的光催化活性，通常高能晶面具有更高的光催化活性。同时，表面晶格缺陷也可同时调制表面原子/电子结构，直接影响最终的量子转化效率。通过调制表面原子/电子结构，获得特定晶面暴露和组分可调变的金属氧化物薄膜可有效提高光生电荷的表面转移效率，其作为光电极具有高的太阳能转化量子效率。因此，制备特定晶面暴露和组分可调变的金属氧化物薄膜光电极是构建高效光电化学分解水电池的一种有效手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种形貌和成分可控的金属氧化物薄膜的制备方法，通过调控热处理过程中的气氛和分压，在金属基体上原位获得特定形貌以及成分可调金属氧化物薄膜。

本发明的技术方案是：

一种形貌和成分可控的金属氧化物薄膜的制备方法，首先，以金属片或合金片为基体，利用化学腐蚀氧化在金属片或合金基片表面原位生成非晶金属氧化物；然后，将获得的非晶金属氧化物薄膜在不同氧气分压下进行晶化热处理，通过调控热处理温度和时间获得形貌和成分可控的金属氧化物薄膜。

所述的金属基片为Fe、Ta、Ti、W、Zn、Cu或Co，所述的合金基片为Ti/Al、Cu/Zn、Ti/Fe、Ti/W或Ti/Ta合金。

所述的化学腐蚀氧化为各种金属腐蚀氧化过程，采用化学溶液腐蚀、大气腐蚀或电化学氧化腐蚀。

所述的晶化热处理温度为300～1000℃，升温速度为0.1～10℃/分钟，晶化时间为0.5～48小时。

所述的形貌和成分可控的金属氧化物薄膜的制备方法，优选的，所述的晶化热处理温度为500～800℃，升温速度为1～5℃/分钟，晶化时间为1～24小时。

所述的晶化处理氧气分压为0～10⁵Pa。

所述的形貌和成分可控的金属氧化物薄膜的制备方法，优选的，所述的晶化处理氧气分压为0～1000Pa。

本发明的设计思想是：

本发明以金属(或合金)片作为基体，通过(电)化学腐蚀氧化在金属(合金)基体上原位获得非晶金属氧化物薄膜，调控非晶薄膜的晶化热处理气氛和分压，在金属(合金)基体上原位获得特定形貌以及组分可调金属氧化物薄膜：利用不同氧分压下金属氧化物晶体热力学稳定构型的差异，将获得的非晶金属氧化物薄膜在不同氧气分压下进行晶化热处理，通过调节热处理温度和时间可得到特定晶面暴露的金属氧化物薄膜；利用金属基体在高温下对金属氧化物薄膜的还原作用，将获得的非晶金属氧化物薄膜在厌氧环境下(如：氩气气氛下)进行晶化处理，通过调节热处理温度和时间可获得不同成分的金属氧化物薄膜。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明利用(电)化学腐蚀氧化方法在金属(合金)基体上原位氧化刻蚀生长非晶金属氧化物薄膜，容易实现各种非晶金属氧化物薄膜的制备。

2、本发明通过简单调控非晶金属氧化物薄膜晶化处理过程中的氧分压，可得到形貌以及成分可调金属(氧)氮化物薄膜，可有效调控其光电催化分解水活性。

附图说明

图1.非晶TiO₂薄膜的制备过程示意图(a-b)及相应扫描电子显微镜(SEM)照片(c-d)。

图2.金红石TiO₂纳米柱单晶阵列SEM照片：(a)低倍照片，(b)高倍顶端 照片和(c)高倍侧面照片，图(c)中的插图为金红石TiO₂热力学稳定构型(Wulff构型)示意图。

图3.金红石TiO₂纳米柱透射电子显微镜(TEM)照片：(A)单根纳米柱低倍照片，(B)高分辨TEM照片和(C)选取电子衍射斑点。