具有掺碳二氧化钛层的基材的制造方法技术

一种制造具有掺碳二氧化钛层的基材的方法，该方法包括在一种由含烃作为主要组分的气体构成的燃烧气体环境或含烃作为主要组分的气体环境中对至少其表面层包含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的基材的表面进行热处理，从而使基材表面温度为９００－１５００℃；或使所述基材表面直接暴露于由含烃作为主要组分的气体形成的燃烧火焰以对该表面进行热处理，使该表面温度为９００－１５００℃，从而形成掺碳二氧化钛。一种通过上述方法制造的掺碳二氧化钛层，其具有优异的耐用性（高硬度、抗刮性、耐磨性、耐化学品性、耐热性）并可用作响应于可见光的光催化剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种。更具体地说，本专利技术涉及一种具有优异耐用性(高硬度、抗刮性、耐磨性、耐化学品性、耐热性)并充当响应于可见光的光催化剂的掺碳二氧化钛层的基材的制造方法。
技术介绍
一直以来，二氧化钛TiO2(在下文和权利要求书中都简称为二氧化钛)都以显示光催化功能的物质著称。作为在钛金属上形成二氧化钛膜的方法，从20世纪70年代起就已知有通过阳极氧化在钛金属上形成二氧化钛膜的方法、在位于供氧电炉中的钛金属板上热形成二氧化钛膜的方法和通过在1100-1400℃的城市煤气火焰中加热钛板在金属钛上形成二氧化钛膜的方法(参见非专利文献1)。为实现光催化剂的实际应用，人们在许多
进行了很多研究。要制造能通过光催化功能获得除臭、抗菌、抗雾或防污效果的光催化剂产品，通常是通过喷涂、旋涂或浸渍向基材上施加二氧化钛溶胶，从而形成膜。但是，所形成的膜易于剥离或磨损，因此难以长期使用。二氧化钛要起光催化剂的作用，波长为400nm或更短的紫外线是必需的，不过人们对掺杂了各种元素的二氧化钛光催化剂通过可见光起作用进行了许多研究。例如，有一篇比较掺杂例如F、N、C、S、P和Ni的二氧化钛的报告，表明氮掺杂二氧化钛是一种出色的可见光响应光催化剂(参见非专利文献2)。作为上述掺杂有其它元素的二氧化钛光催化剂，人们提出了以下方案含有二氧化钛中氧的位置被原子X如氮或阴离子X取代的钛化合物Ti-O-X的光催化剂；含有在二氧化钛的晶格空间内掺杂了原子X如氮或阴离子X的钛化合物Ti-O-X的光催化剂；以及含有在二氧化钛晶体的多晶聚集体晶粒边缘具有原子X如氮或阴离子X的钛化合物Ti-O-X的光催化剂(参见专利文献1-4)。另一个报告中报道，使通过例如调整天然气和/或氧气的流量而将燃烧火焰温度控制在850℃左右的天然气燃烧火焰与钛金属接触以获得化学改性的二氧化钛n-TiO2-xCx，它吸收波长为535nm或更短的光(参见非专利文献3)。专利文献1日本专利申请公开2001-205103(权利要求书)专利文献2日本专利申请公开2001-205094(权利要求书)专利文献3日本专利申请公开2002-95976(权利要求书)专利文献4国际公开01/10553小册子(权利要求书)非专利文献1A.Fujishima等人，J.Electrochem.Soc.第122卷，第11期，第1497-1499页，1975年11月非专利文献2R.Asahi等人，SCIENCE第293卷，2001年7月13日，第269-271页非专利文献3Shahed U.M.Khan等人，SCIENCE第297卷，2002年9月27日，第2243-2245页专利技术公开本专利技术要解决的问题然而，传统的二氧化钛基光催化剂，不管是紫外线响应型的还是可见光响应型的，在耐用性方面(高硬度、抗刮力、耐磨性、耐化学品性、耐热性)都有问题，妨碍了其实际应用。本专利技术的一个目的在于提供一种制造具有掺碳二氧化钛层的基材的方法，其中所述掺碳二氧化钛层的耐用性(高硬度、抗刮性、耐磨性、耐化学品性、耐热性)出色并充当可见光响应光催化剂。解决问题的手段为实现上述目的，专利技术人进行了深入研究，发现了以下事实使一种主要由烃构成的气体的燃烧火焰直接作用于具有一个含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的表面层的基材的表面，在高温下对基材表面进行热处理；或者在一种主要由烃构成的气体的燃烧气体气氛中在高温下对上述基材的表面进行热处理；或者在一种主要由烃构成的气氛中在高温下对上述基材的表面进行热处理，从而获得具有掺碳二氧化钛层的基材。基于此发现，专利技术人作出了本专利技术。也就是说，根据本专利技术的制造具有掺碳二氧化钛层的基材的方法的特征在于，使一种主要由烃构成的气体的燃烧火焰直接作用于具有至少一个含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的表面层的基材的表面，以对基材表面进行热处理，从而使基材表面温度为900-1500℃；或者在一种主要由烃构成的气体的燃烧气体气氛中对上述基材的表面进行热处理，使基材表面温度为900-1500℃，从而形成掺碳二氧化钛层。或者，根据本专利技术的制造具有掺碳二氧化钛层的基材的方法的特征在于，在一种主要由烃构成的气体气氛中对至少具有一个含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的表面层的基材的表面进行热处理，使基材表面温度为900-1500℃，从而形成掺碳二氧化钛层。专利技术效果根据本专利技术的制造具有掺碳二氧化钛层的基材的方法使得可以获得具有耐用性(高硬度、抗刮性、耐磨性、耐化学品性、耐热性)出色并充当可见光响应光催化剂的掺碳二氧化钛层的基材。附图简述附图说明图1示出了测试实施例1的膜硬度测试结果。图2示出了测试实施例5的XPS分析结果。图3示出了在测试实施例6中光电流密度的波长响应。图4示出对测试实施例7的量子效率测试的结果。图5示出了测试实施例8的除臭测试结果。图6(a)和6(b)是显示测试实施例9的防污测试结果的照片。图7示出了测试实施例11的结果。图8(a)和8(b)是显示实施例15和16中获得的掺碳二氧化钛层的光透射状态的照片。图9是显示实施例15中获得的掺碳二氧化钛层的表面状态的照片。本专利技术的最佳实施方式根据本专利技术的制造方法，对至少具有一个含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的表面层的基材的表面进行热处理，以制造具有掺碳二氧化钛层的基材。此至少具有一个含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的表面层的基材的构造可以是使得整个基材都由钛、钛合金、钛合金氧化物和二氧化钛之一组成，或者也可以使得基材由表面部分形成层和芯材组成，且它们的材料不同。对于基材的形状，可以是希望具有耐用性如高硬度、抗刮力、耐磨性、耐化学品性或耐热性的最终产品形状(平板形状或三维形状)，或者是希望在表面上具有可见光响应光催化剂功能的最终产品形状，或者是粉末状的。如果至少具有一个含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的表面层的基材是由材料不同的表面部分形成层和芯材组成，则表面部分形成层的厚度可以与结果形成的掺碳二氧化钛层的厚度相同(即整个表面部分形成层都是掺碳二氧化钛层)，也可以大于掺碳二氧化钛层的厚度(即，在表面部分形成层的厚度方向上一部分是掺碳二氧化钛层，而其余部分保持不变)。对芯材的材料没有限制，除非它在本专利技术的制造方法的热处理过程中会燃烧、熔融或变形。例如，铁、铁合金、非铁合金、陶瓷或其它陶类、或高温耐热玻璃都可被用作芯材。这种由薄膜状表面层和芯材构成的基材的例子包括那些具有通过例如溅射、汽相沉积或热喷涂等方法在芯材表面形成的含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的薄膜的基材，或者那些具有通过利用喷涂、旋涂或浸渍向芯材表面上施加可商购的二氧化钛溶胶而在此表面上形成的膜的基材。如果至少具有一个含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的表面层的基材是粉末状的，则在粉末的粒径小的情况下，在本专利技术的制造方法中粉末的所有颗粒都可以通过热处理而被转化成掺碳二氧化钛。不过，在本专利技术中，只有表面层被转化成掺碳二氧化钛就足够了，所以对粉末的粒径没有限制。但是，考虑到容易进行热处理和容易制造，优选粉末粒径大于等于15nm。在本专利技术的制造方法中，各种公知的钛合金都能被用作所述钛合金，没有限制。例如，可以使用Ti-6Al-4V，Ti-6Al-6V-2Sn，Ti-6Al-2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造具有掺碳二氧化钛层的基材的方法，其特征在于使主要由烃组成的气体的燃烧火焰直接作用于至少具有一个含钛、钛合金、钛合金氧化物或二氧化钛的表面层的基材的表面，以对基材表面进行热处理，从而使基材表面温度为９００－１５００℃；或者在主要由烃组成的气体的燃烧气体气氛中对上述基材的表面进行热处理，使得基材表面温度为９００－１５００℃，从而形成掺碳二氧化钛层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：古谷正裕，
申请(专利权)人：财团法人电力中央研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]