纳米氧化钛介孔薄膜的制备方法技术

一种制备纳米氧化钛介孔薄膜的方法，属于纳米氧化钛材料技术领域。本发明专利技术是在由水、油、表面活性剂、助表面活性剂构成的微乳液中添加分散剂，将微乳液中作为微型反应池的胶团（或反胶团）先进行分散，再让反应物在其中反应，制得的纳米颗粒为单个胶团（或反胶团）完整球形而易堆积成介孔薄膜，再经干燥、煅烧而成。因采用本发明专利技术制得的纳米氧化钛介孔薄膜具有颗粒为高度分散的纳米粒子，且孔隙分布均匀、成膜性能好；可重复涂膜而不开裂、不剥落，厚度可达１４０μｍ以上；大大简化了制备工艺，便于工业化生产等特点，故可广泛应用于需要巨大比表面积的染料敏化太阳能电池、二氧化钛光催化材料、二氧化钛气敏传感器等功能器件中。

【技术实现步骤摘要】
纳米氧化钛介孔薄膜的制备方法一、
本专利技术属于纳米氧化钛材料
，特别涉及用添加了分散剂的五组分微乳液体系来制备纳米氧化钛介孔薄膜的方法。二、
技术介绍
以纳米氧化钛颗粒构成的介孔薄膜，具有巨大比表面积和量子尺寸效应等特性，已成为半导体光催化、半导体光电化学、传感器等领域非常重要的功能材料。目前，制备纳米氧化钛介孔薄膜的方法主要有水热合成法、溶胶-凝胶法、微波合成法、微乳液法、聚合物分子模板法、胶体晶体模板法等。这些方法中，微乳液法的制备工艺最为简单。通常是利用水、油、表面活性剂和表面活性助剂四个组分混合在一起形成透明稳定的微乳液，其中所含表面活性剂协同表面活性助剂形成的胶团(或反胶团)，由于内部增溶了油相(或水相)，形成水包油(O/W)型或油包水(W/O)型小液滴，其尺寸一般在10～100nm范围内，因而可作为制备纳米材料的微型反应器。微乳液方法制备纳米氧化钛介孔薄膜的工艺虽然最为简单，但由于表面活性剂一般都需要比较大的浓度，以获得稳定的胶团(或反胶团)，因而在微乳液体系中胶团的数量和浓度通常都很大，相互之间会发生聚积，因此得到的纳米粒子容易团聚形成二次颗粒，导致颗粒形状不好，尺寸分布较宽，所得的介孔薄膜均匀性和成膜性能相对较差，而且容易发生开裂和剥落现象，尤其是当膜厚度较大的时候(如50μm以上)，开裂和剥落几乎成了一种普遍现象。因此在制备纳米氧化钛介孔薄膜时，较少采用这种方法。当采用这种方法时，一般都需要对产物作进一步分散处理，并通过洗涤、过滤，再加入成膜剂成膜，这不仅使制膜过程变得复杂，而且对于在反应过程中形成的硬团聚体，后期分散处理效果也不明显。三、
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有四组分微乳液体系制备纳米氧化钛介孔薄膜方法的不足之处，提出一种纳米氧化钛介孔薄的膜制备方法，采用由水相、油相、表面活性剂、助表面活性剂和分散剂构成的五组分微乳液体系来制备纳米氧化钛介孔薄膜。本方法具有制备出的纳米氧化钛介孔薄膜无需后期分散处理，就可以得到分散性好的完整球形纳米氧化钛颗粒，其尺寸分布在20～30nm之间，直接从前驱液涂膜，就可以得到均匀性好、可重复成膜十层以上、厚度达到140μm以上都不会开裂或剥落的纳米氧化钛介孔薄膜等显著特点，这对需要巨大比表面积的功能器件来说是非常有利的。本专利技术的目的是这样来实现的：一种纳米氧化钛介孔薄膜的制备方法，是在由水相、油相、表面活性剂、助表面活性剂构成的微乳液中添加第五个组分——分散剂，将微乳液中作为微型反应池的胶团(或反胶团)先进行分散(如图1和图2所示)，再让反应物在其中反应，-->因而得到的纳米颗粒为单个胶团(或反胶团)的完整球形，且避免了二次颗粒的形成。由于颗粒形状好、粒径分布窄，因而容易堆积成介孔薄膜。所以，用五组分微乳液体系制备的纳米氧化钛介孔薄膜成膜性能非常好，直接从前驱液涂膜，再经过干燥、煅烧就可以得到均匀的介孔薄膜，大大简化了制备工艺，且可重复涂膜十层以上都不会开裂或剥落，厚度可以达到140μm以上。其具体的方法步骤如下：(1)制备前驱液按水∶油∶表面活性剂∶助表面活性剂∶分散剂的质量比为1∶0.1～50∶0.1～30∶0.1～40∶0.1～30的比例，先将水、油、表面活性剂和表面活性助剂混合搅拌均匀制得透明稳定的微乳液后，再加入分散剂搅拌均匀，然后加入质量比为1∶0.1～10的正钛酸丁酯与二乙醇胺混合物，在室温下搅拌30秒～24小时，制备出的前驱液为发蓝色乳光的透明溶胶。其中，油相为环烷烃(如环己烷或环戊烷或环庚烷或环辛烷等)；表面活性剂为磺酸盐类或硫酸盐类或羧酸盐类或磷酸盐类阴离子表面活性剂或季铵盐类阳离子表面活性剂或烷基甜菜碱型或烷基酰胺甜菜碱型或烷基羧基磺酸甜菜碱型或咪唑啉型或羧酸型咪唑啉型或磺酸型咪唑啉型或β-氨基丙酸型或α-亚氨基型两性离子表面活性剂或聚氧乙烯型或脂肪酸多元醇酯型非离子表面活性剂；助表面活性剂为碳原子数为2～16的醇类(如乙醇或正丙醇或异丙醇或正丁醇或异丁醇或正戊醇或异戊醇等)；分散剂为能与水和油混溶的对水/油界面无影响且不参与胶团(或反胶团)形成的有机溶剂，如四氢呋喃或呋喃等。(2)制备氧化钛胶体膜将第(1)步制备出的前驱液直接刮涂在基片上，在0～300℃温度下干燥1分钟至24个小时，制得半透明的氧化钛胶体膜。其中基片为普通玻璃片或导电玻璃片或硅片或石英片等。(3)进行煅烧将第(2)步制备出的胶体膜在200～800℃下煅烧1分钟到24个小时，制得半透明纳米氧化钛介孔薄膜。(4)重复制膜在第(3)步完成之后，再重复第(2)、(3)步，直至制备出所需要厚度的纳米氧化钛介孔薄膜为止。本专利技术采用上述技术方案后，主要特点是：在常规水相、油相、表面活性剂和助表面活性剂四组分微乳液体系中添加了第五个成分——分散剂，可以直接将前驱液涂膜，获得的纳米氧化钛颗粒粒径在20～30nm之间，为完整球形颗粒；制得的纳米氧化钛介孔薄膜的颗粒和孔隙分布均匀、成膜性能好、薄膜质量高：可重复涂膜十层以上而不开裂、不剥落，厚度可达到140μm以上；并且大大简化了制备工艺，缩短了生产周期，明显节约了工时及降低了生产成本，便于工业化生产等显著效果。采用本专利技术所制得的纳米氧化钛介孔薄膜可广泛应用于需要巨大比表面积的染料敏化太阳能电池、二氧化钛光催化材料、二氧化钛气敏传感器等功能器件中。四、附图说明-->图1为未添加分散剂的微乳液体系中胶团的分布示意图；图2为添加分散剂后的微乳液体系中胶团的分布示意图；图3为本实施例1制备的单层纳米氧化钛介孔薄膜的热场发射扫描电子显微镜图片，小图为大图的局部放大图：图4为本实施例2制备的十层纳米氧化钛介孔薄膜的热场发射扫描电子显微镜图片。五、具体实施方式下面结合具体实施方式进一步说明本专利技术。实施例1：如图3所示，一种制备纳米氧化钛介孔薄膜的方法，其具体步骤如下：(1)制备前驱液按水∶环己烷∶十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)∶正丁醇∶四氢呋喃的质量比为1∶4∶2∶2.5∶6的比例，先将水、环己烷、CTAB和正丁醇混合搅拌均匀制得透明稳定的微乳液后，再加入四氢呋喃搅拌均匀，然后加入质量比为1∶1的正钛酸丁酯与二乙醇胺混合物，在室温下搅拌5分钟，制备出发蓝色乳光的透明溶胶前驱液。(2)制备氧化钛胶体膜将第(1)步制备出的前驱液直接刮涂在基片上，在100℃温度下干燥30分钟，制得半透明的氧化钛胶体膜。其中基片为普通玻璃片。(3)进行煅烧将第(2)步制备出的胶体膜在450℃下煅烧30分钟，制得平均颗粒尺寸为29.03nm的半透明纳米氧化钛单层介孔薄膜。实施例2：如图3所示，一种制备纳米氧化钛介孔薄膜的方法，其具体步骤如下：(1)制备前驱液按水∶环己烷∶十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)∶正丁醇∶四氢呋喃的质量比为1∶4∶2∶2.5∶6的比例，先将水、环己烷、CTAB和正丁醇混合搅拌均匀制得透明稳定的微乳液后，再加入四氢呋喃搅拌均匀，然后加入质量比为1∶1的正钛酸丁酯与二乙醇胺混合物，在室温下搅拌5分钟，制备出发蓝色乳光的透明溶胶前驱液。(2)制备氧化钛胶体膜将第(1)步制备出的前驱液直接刮涂在基片上，在100℃温度下干燥30分钟，制得半透明的氧化钛胶体膜。其中基片为普通玻璃片。(3)进行煅烧将第(2)步制备出的胶体膜在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米氧化钛介孔薄膜的制备方法，其特征在于其具体的方法步骤如下：（１）制备前驱液按水∶油∶表面活性剂∶助表面活性剂∶分散剂的质量比为１∶０．１～５０∶０．１～３０∶０．１～４０∶０．１～３０的比例，先将水、油、表面活性剂和表面活性助剂混合搅拌均匀制得透明稳定的微乳液后，再加入分散剂搅拌均匀，然后加入质量比为１∶０．１～１０的正钛酸丁酯与二乙醇胺混合物，在室温下搅拌３０秒～２４小时，制备出的前驱液为发蓝色乳光的透明溶胶；（２）制备氧化钛胶体膜将第（１）步制备出的前驱液直接刮涂在基片上，在０～３００℃温度下干燥１分钟至２４个小时，制得半透明的氧化钛胶体膜；（３）进行煅烧将第（２）步制备出的胶体膜在２００～８００℃下煅烧１分钟到２４个小时，制得半透明纳米氧化钛介孔薄膜；（４）重复制膜在第（３）步完成之后，再重复第（２）、（３）步，直至制备出所需要厚度的纳米氧化钛介孔薄膜为止。

【技术特征摘要】
1.一种纳米氧化钛介孔薄膜的制备方法，其特征在于其具体的方法步骤如下：(1)制备前驱液按水∶油∶表面活性剂∶助表面活性剂∶分散剂的质量比为1∶0.1～50∶0.1～30∶0.1～40∶0.1～30的比例，先将水、油、表面活性剂和表面活性助剂混合搅拌均匀制得透明稳定的微乳液后，再加入分散剂搅拌均匀，然后加入质量比为1∶0.1～10的正钛酸丁酯与二乙醇胺混合物，在室温下搅拌30秒～24小时，制备出的前驱液为发蓝色乳光的透明溶胶；(2)制备氧化钛胶体膜将第(1)步制备出的前驱液直接刮涂在基片上，在0～300℃温度下干燥1分钟至24个小时，制得半透明的氧化钛胶体膜；(3)进行煅烧将第(2)步制备出的胶体膜在200～800℃下煅烧1分钟到24个小时，制得半透明纳米氧化钛介孔薄膜；(4)重复制膜在第(3)步完成之后，再重复第(2)、(3)步，直至制备出所需要厚度的纳米氧化钛介孔薄膜为止。2.按照权利要求1所述的纳米氧化钛介孔薄膜的制备方法，其特征在于所述的油相为环烷烃，如环己烷或环戊烷或环庚烷或环辛烷；表面活性剂为磺酸盐类或硫酸盐类或羧酸盐类或磷酸盐类阴离子表面活性剂或季铵盐类阳离子表面活性剂或烷基甜菜碱型或烷基酰胺甜菜碱型或烷基羧基磺酸甜菜碱型或咪唑啉型或羧酸型咪唑啉型或磺酸型咪唑啉型或β-氨基丙酸型或α-亚氨基型两性离子表面活性剂或聚氧乙烯型或脂肪酸多元醇酯型非离子表面活性剂；助表面活性剂为碳原子数为2～16的醇类，如乙醇或正丙醇或异丙醇或正丁醇或异丁醇或正戊醇或异戊醇；分散剂为四氢呋喃或呋喃；所述的基片为普通玻璃片或导电玻璃片或硅片或石英片。3.按照权利要求1所述的纳米氧化钛介孔薄膜的制备方法，其特征在于一种制备纳米氧化钛介孔薄膜的方法，其具体步骤如下：(1)制备前驱液按水∶环己烷∶十六烷基三甲基溴化铵∶正丁醇∶四氢呋喃的质量比为1∶4∶2∶2.5∶6的比例，先将水、环己烷、十六烷基三甲基溴化铵和正丁醇混合搅拌均匀制得透明稳定的微乳液后，再加入四氢呋喃搅拌均匀，然后加入质量比为1∶1的正钛酸丁酯与二乙醇胺混合物，在室温下搅拌5分钟，制备出发蓝色乳光的透明溶胶前驱液；(2)制备氧化钛胶体膜将第(1)步制备出的前驱液直接刮涂在普通玻璃基片上，在100℃温度下干燥30分钟，制得半透明的氧化钛胶体膜；(3)进行煅烧将第(2)步制备出的胶体膜在450℃下煅烧30分钟，制得平均颗粒尺寸为29.03nm的半透明纳米氧化钛单层介孔薄膜。4.按照权利要求1所述的纳米氧化钛介孔薄膜的制备方法，其特征在于一种制备纳米氧化钛介孔薄膜的方法，其具体步骤如下：(1)制备前驱液按水∶环己烷∶十六烷基三甲基溴化铵∶正丁醇∶四氢呋喃的质量比为1∶4∶2∶2.5∶6的比例，先将水、环己烷、十六烷基三甲基溴化铵和正丁醇混合搅拌均匀制得透明稳定的微乳液后，再加入四氢呋喃搅拌均匀，然后加入质量比为1∶1的正钛酸丁酯与二乙醇胺混合物，在室温下搅拌5分钟，制备出发蓝色乳光的透明溶胶前驱液；(2)制备氧化钛胶体膜将第(1)步制备出的前驱液直接刮涂在普通玻璃基片上，在100℃温度下干燥30分钟，制得半透明的氧化钛胶体膜；(3)进行煅烧将第(2)步制备出的胶体膜在450℃下煅烧30分钟，制得半透明纳米氧化钛介孔薄膜；(4)重复制膜在第(3)步完成之后，再重复第(2)、(3)步九次，制得平均颗粒尺寸为29.03nm、厚度为140.3μm的纳米氧化钛介孔薄膜。5.按照权利要求1所述的纳米氧化钛介孔薄膜的制备方法，其特征在于一种制备纳米氧化钛介孔薄膜的方法，其具体步骤如下：(1)制备前驱液按水∶环己烷∶十六烷基三甲基溴化铵∶正丁醇∶四氢呋喃的质量比为1∶50∶30∶40∶30的比例，先将水、环己烷、十六烷基三甲基溴化铵和正丁醇混合搅拌均匀制得透明稳定的微乳液后，再加入四氢呋喃搅拌均匀，然后加入质量比为1∶0.8的正钛酸丁酯与二乙醇胺混合物，在室温下搅拌10分钟，制备出发蓝色乳光的透明溶胶前驱液；(2)制备氧化钛胶体膜将第(1)步制备出的前驱液直接刮涂在普通玻璃基片上，在100℃温度下干燥35分钟，制得半透明的氧化钛胶体膜；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱觉时，唐笑，黄佳木，王华，朱小红，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]