[发明专利]一种磷化钛薄膜及其原位制备方法

说明书

本发明属于功能薄膜材料领域，具体涉及一种Ti₃P薄膜及其制备方法。首先采用液相等离子放电技术在含有磷酸盐的电解液中将Ti片表面氧化成含有P的二氧化钛氧化物薄膜，然后再通过高温退火的方法使P与二氧化钛薄膜反应生成Ti₃P薄膜。这种方法工艺简单，易于操作，更重要的是可以在钛金属基底表面直接原位制备出亚稳相的Ti₃P薄膜，并且方法可以重复。本发明的Ti₃P薄膜结晶度高、纯度高、薄膜质量好，是Ti‑P二元系材料家族中重要一员。本发明制备的Ti₃P薄膜制备工艺简单，薄膜质量高，重复性好，有望在不同领域进行实际应用。

技术领域

本发明属于功能薄膜材料领域，具体涉及一种亚稳相磷化钛薄膜的制备方法。

背景技术

具有优异光电磁热等功能的薄膜材料在清洁能源制备、电磁屏蔽、有机污染物处理、导电电极等领域具有重要的应用价值。大部分薄膜制备方法主要依靠化学气相沉积、物理气相沉积、热蒸发等形式在不同衬底表面沉积制备。这些方法存在工艺复杂、真空度高、设备造价昂贵、基底尺寸/形状受限、结合力差容易脱落、形貌不均匀、制备周期长等问题。因此，探索简单易行、制备周期短、结合力强、同时又具有良好物理性能的薄膜制备方法尤为必要，这对于工业推广应用具有重要意义。

磷化钛是P和Ti组成的二元化合物的统称，有TiP, Ti₃P, Ti₄P₃, TiP₂等不同化学计量比的化合物，其中最常见的TiP，也是磷化钛的稳定结构。大量文献研究表明，磷化钛中不同原子配比的化合物电子结构、带隙和导电性都具有一定的差异。而Ti₃P是磷化钛家族中一种亚稳相，具有四方结构，利用常规的Ti粉和红磷在高温下制备的方法很难获得，高纯度的Ti₃P也鲜有报道，对其物理性能也是未知。本发明的钛基底上原位制备亚稳相、分子式为Ti₃P的磷化钛薄膜为首次合成，更重要的是，我们采用液相等离子沉积技术辅以热处理的方式，不仅具有工艺简单，制备周期短，样品尺寸和形状任意等优点，而且制备的亚稳相磷化钛具有非常强的膜基结合力，不易从基底上脱落，同时又具有很好的导电性，有望作为电极材料在电解水制氢、电催化污水处理、电催化杀菌等领域获得应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备亚稳相磷化钛薄膜的方法并研究其晶体结构、导电性及在电极材料方面的潜在应用。本发明的目的还在于提供一种工艺简单、能够在钛基底表面原位制备结合力好的磷化钛薄膜的制备方法。

为实现本发明上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种磷化钛薄膜的制备方法，其分子式为Ti₃P, 是在钛基材表面原位生长并且与基底有很好的膜基结合力。磷化钛薄膜是通过在等离子体放电形成的氧化钛薄膜中掺杂P元素，然后通过高温退火反应获得。所制备的磷化钛表面形貌呈现多孔火山形状，孔径在0.5～2 μm左右，表面形貌均匀；所制备的磷化钛薄膜为亚稳相，具有四方晶体对称性结构；

所述的一种磷化钛薄膜的制备方法，主要包括如下步骤：

（1） 选取表面光滑的钛片，利用丙酮、酒精和去离子水进行表面清理，除去表面污染物并吹干备用；

（2） 在烧杯中加入2L去离子水，在磁力搅拌的条件下，加入150g Na₃PO₄•12H₂O和20g NaOH，混合均匀后加入20g KF•2H₂O，搅拌均匀，然后倒入电解池中并加入8L去离子水，继续搅拌1 h，即得到液相等离子放电用电解液；

（3） 将预处理后的Ti片作为等离子放电的阳极电极，不锈钢电解槽作为阴极电极，进行液相等离子放电。电流1～5 A、 占空比5～20%、频率800～1200 Hz、微弧氧化处理时间3～20 min；