[发明专利]单晶二氧化钛薄膜的制备方法以及制备用蒸发架

说明书

本发明公开了一种单晶二氧化钛薄膜的制备方法，包括：用酸洗液对钛基金属进行清洗0.5‑5分钟；将该酸洗后的钛基金属置于蒸发架上，加入形貌引导液浸没该钛基金属，并将所述蒸发架置于装有酸蒸溶液的蒸发釜，加热至120‑230℃进行湿蒸处理0.5‑24小时。本申请还公开了一种单晶二氧化钛薄膜制备用蒸发架。本发明的单晶二氧化钛薄膜的制备方法无需模板，除钛基金属外无需额外添加钛源和表面活性剂，同时也不需要增加后续煅烧热处理结晶以及其他任何处理，即可在钛基金属基体表面原位形成形貌、大小可控的氧化钛单晶体，而且制得的单晶与钛基金属基底结合力强，另外该方法使用酸量极少，从而可以简化后处理工艺，降低成本，而且对环境非常友好。

技术领域

本发明涉及无机纳米材料制备领域。更具体而言，涉及一种单晶二氧化钛薄膜的制备方法以及制备用蒸发架。

背景技术

二氧化钛是一种多晶型化合物，主要有金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型。其具有良好的生物相容性，光电性能和电磁性能，被广泛用于光电热敏功能陶瓷、半导体传感器以及医用金属植入体的表面涂层等。裸露单晶体氧化钛因其具有较高表面能，大比表面积、性能优异，从而得到广泛研究。具有规则形貌的单晶体氧化钛主要是通过水热合成而得，其主要应用于太阳能电池、光催化降解有机污染物、裂解水制氢和防腐防污等研究。

具体而言，二氧化钛具有生物相容性好、折射率高、具有光化学催化活性且紫外线吸收能力强等优点，被广泛应用于有机物废水处理、杀菌除臭剂、化妆品等；此外，其广泛应用于医用钛合金植入体表面，对植入体的生物相容性以及耐腐蚀性能具有极其重要的作用。而纳米单晶二氧化钛具有高表面能，从而具有更高的光催化活性，被广泛应用于光催化和生物等领域，如裸露高表面能二氧化钛能够有效吸附一些蛋白质或生物分子，促进细胞粘附和分化；此外，由于单晶二氧化钛相晶格中有较多的缺陷与位错，因此产生较多的氧空位来俘获电子，降低表面电子空穴对的复合速率，有效提高其光催化活性。研究表明，纳米阵列结构与金属钛导电基底之间以肖特基势垒直接相连，结合牢固，而且电荷载流子在二氧化钛与金属基底界面之间的传输阻碍小。因此若能将单晶氧化钛组装在一起，形成一种二维材料，其将在电子的传输效率、对光子的散射利用以及生物医学领域应用表现更强的优势。

目前常用的制备TiO₂单晶纳米颗粒的方法包括水热法、化学沉积法、微乳法和溶胶-凝胶法等。传统的水热法为了获取稳定分散性良好的单晶纳米材料，通常需要在前驱体有机钛溶液中加入大量有机长链表面活性剂控制晶面形成，反应获得的纳米材料会不可避免地被其包裹，一般需要经450-500℃的高温进一步除去表面活性剂。其次，表面活性剂的难降解对环境也有严重危害，尤其是对生物医学方面的应用。另外，其它方法制备出的TiO₂颗粒一般是非晶态的，常需结合高温热处理来获得单晶体TiO₂。但高温热处理不仅容易导致颗粒团聚，还会使二氧化钛的晶相发生变化，而且在制备薄膜的过程中高温也限制了不耐热基材(如玻璃、木材、塑料等)的使用，从而限制了其进一步使用。

CN 102774883A的发明专利《一种金红石型二氧化钛纳米线薄膜及其制备方法和用途》利用硫酸钛和表面活性剂，在掺氟氧化锡导电玻璃上，120℃-180℃水热反应制备二氧化钛纳米线阵列，其中氧化钛纳米阵列表面包裹大量有毒表面活性剂，需要采取一定方法使其有效去除才能生物可利用。CN 104874384A的发明专利《一种微纳复合结构二氧化钛薄膜的制备方法》首先利用四氯化钛在其表面制备一层氧化钛种子膜，然后利用种子层进一步在钛酸丁酯的溶液中水热生长煅烧获得一定晶型的氧化钛。该法除了利用水热法常规的有机钛源，还额外添加了无机钛源，操作繁琐且增加了生产的成本。CN 102586834A的发明专利《一种通透二氧化钛纳米管薄膜的制备及应用》将钛片进行两次阳极氧化，低温退火和高压阳极化等步骤原位得到二氧化钛规整的管状薄膜。该专利方法繁琐，工艺相对复杂，不利于工业生产。此外，所有这些方法所制备的氧化钛均不具有规则的单晶体面。