利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法及系统，属于飞秒激光应用技术领域。本发明专利技术首先利用阳极氧化法，在钛片表面制备了固体二氧化钛纳米管阵列薄膜，然后通过飞秒激光逐行扫描获得具有暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛。与传统方法相比，本发明专利技术具有可对固体二氧化钛进行直接加工、加工环境要求低、能量利用率高、速度快等优点。利用本发明专利技术的方法及系统制备得到的暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛，可以用于光催化和制备太阳能电池，有利于获得高的光催化或光电转化效率。

【技术实现步骤摘要】
利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法及系统
本专利技术属于飞秒激光应用
，具体涉及利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法及系统。
技术介绍
高效地利用太阳能是解决目前人类所面临的能源问题和环境问题的重要手段。二氧化钛(TiO2)是最常用的半导体光催化材料，因具有高稳定性、无毒、廉价等特点，已被广泛应用于光电化学水解产氢、光催化水解产氢、光催化降解有机污染物等领域。但二氧化钛的催化性能受限于只能吸收紫外光和光生电子与空穴的快速复合，为此研究人员针对二氧化钛的形貌、结构、暴露晶面、能带等开展了大量的研究。理论计算和实验结果表明，暴露高活性晶面的二氧化钛具有较高的催化活性(Chemicalreviews2014,114,19,9559-9612)，其中主要暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛因表面原子结构、能带结构和不同晶面的协同作用而表现出最佳的催化性能(AngewandteChemieInternationalEdition2011,9,2133-2137)。暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛通常采用化学方法制备，大多数通过控制水热反应过程中的氟离子浓度(CN106082321A；CN101670280A；Nature2008,453,7195,638)和pH值(CN103086424A；CN105347393A；NanoLett2005,5,1261)实现，但该方法只能以钛的前驱体溶液为原料，通常需要在高压反应釜中进行，所得产物为纳米颗粒、纳米片或纳米带等分散的材料，其应用范围受到严重限制。对固体二氧化钛，常采用热处理的方法获得锐钛矿二氧化钛，但热处理方法通常只能获得主要暴露低活性的{101}晶面的锐钛矿二氧化钛，无法获得暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛。CN108788472A及《光学通讯》(OpticsCommunications2019,441,49-54)报道了利用飞秒激光在固体二氧化钛表面烧蚀形成周期性微纳结构的方法，CN110230084A报道了一种基于飞秒激光退火处理在钛表面获得图案化的锐钛矿或金红石二氧化钛的方法，但以上方法也无法获得暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛。目前，还没有能够直接对固体二氧化钛进行加工获得暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛的方法。寻找一种以固体二氧化钛为原料，暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛的制备新方法对于提高二氧化钛催化剂活性具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法及系统，以解决传统方法中无法对固体二氧化钛进行加工后获得暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛的技术难题。本专利技术提出的利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法，包括以下步骤：(1)利用阳极氧化法，在钛片表面制备固体二氧化钛纳米管阵列薄膜，过程如下：(1-1)将钛片依次放入乙醇和去离子水中超声清洗三遍，烘干待用；(1-2)按体积比为1:49～1:99量取水和乙二醇，配置成溶液A；(1-3)向溶液A中加入质量分数为0.4％～0.6％的氟化铵，得到溶液B；(1-4)利用步骤(1-3)的溶液B，以步骤(1-1)的钛片为阳极，铂网为阴极，进行阳极氧化，温度为23℃，电压为20V～40V，时间为1～2小时，得到表面为固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的钛片；(1-5)将步骤(1-4)的钛片置于乙醇和去离子水中清洗若干次、烘干备用；(2)将波长为800nm、重复频率为80MHz、脉冲宽度为50fs的飞秒激光聚焦到步骤(1)的固体二氧化钛纳米管阵列薄膜上，使激光强度为1.1×1012W/cm2～1.7×1012W/cm2，设置飞秒激光聚焦光斑的扫描速度为1mm/s～5mm/s，使得激光在步骤(1)的表面为固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的钛片表面进行逐行扫描，得到暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛。本专利技术提出的利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的系统，包括高重频飞秒激光器、中性密度衰减片、电控快门、飞秒激光振镜、飞秒激光场镜和支撑底座；高重频飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲通过中性密度衰减片调节能量后进入飞秒激光振镜实现对激光辐照方向的调控，通过飞秒激光场镜聚焦到表面为固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的钛片上，电控快门置于中性密度衰减片与飞秒激光振镜之间，用于控制飞秒激光的开闭；表面为固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的钛片被固定在支撑底座上，通过软件控制飞秒激光振镜，实现对激光焦斑的位置的控制，进而实现对样品的逐行扫描加工。本专利技术提出的利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法及系统，其优点是：本专利技术的利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法，首先利用阳极氧化法，在钛片表面制备了固体二氧化钛纳米管阵列薄膜，然后通过飞秒激光逐行扫描获得具有暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛。与传统方法相比，本专利技术具有可对固体二氧化钛进行直接加工、加工环境要求低、能量利用率高、速度快等优点。利用本专利技术的方法及系统制备得到的暴露{010}晶面的锐钛矿二氧化钛，可以用于光催化和制备太阳能电池，有利于获得高的光催化或光电转化效率。附图说明图1是本专利技术提出的一种利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法示意图。图1中，1是钛片，2是表面为固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的钛片，3是单个二氧化钛纳米管的截面，4是飞秒激光脉冲，5是飞秒激光加工后的单个二氧化钛纳米管的截面，6是暴露{010}晶面的单个锐钛矿纳米晶粒。图2是本专利技术提出的一种利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的系统示意图。图2中，7是高重频飞秒激光器，8是中性密度衰减片，9是电控快门，10是飞秒激光振镜，11是飞秒激光场镜，2是表面为固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的钛片，12是支撑底座。图3是实施例1中激光加工前后固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的拉曼光谱图。图4是实施例1所制得的二氧化钛的高倍HRTEM图。具体实施方式本专利技术提出的利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法，包括以下步骤：(1)利用阳极氧化法，在钛片1表面制备固体二氧化钛纳米管阵列薄膜，过程如下：(1-1)将钛片1依次放入乙醇和去离子水中超声清洗三遍，烘干待用；(1-2)按体积比为1:49～1:99量取水和乙二醇，配置成溶液A；(1-3)向溶液A中加入质量分数为0.4％～0.6％的氟化铵，得到溶液B；(1-4)利用步骤(1-3)的溶液B，以步骤(1-1)的钛片为阳极，铂网为阴极，进行阳极氧化，温度为23℃，电压为20V～40V，时间为1～2小时，得到表面为固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的钛片2；(1-5)将步骤(1-4)的钛片2置于乙醇和去离子水中清洗若干次、烘干备用；(2)将波长为800nm、重复频率为80MHz、脉冲宽度为50fs的飞秒激光聚焦到步骤(1)的固体二氧化钛纳米管阵列薄膜上，使激光强度为1.1×1012W/cm2～1.7×1012W/cm2，设置飞秒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：/n(1)利用阳极氧化法，在钛片表面制备固体二氧化钛纳米管阵列薄膜，过程如下：/n(1-1)将钛片依次放入乙醇和去离子水中超声清洗三遍，烘干待用；/n(1-2)按体积比为1:49～1:99量取水和乙二醇，配置成溶液A；/n(1-3)向溶液A中加入质量分数为0.4％～0.6％的氟化铵，得到溶液B；/n(1-4)利用步骤(1-3)的溶液B，以步骤(1-1)的钛片为阳极，铂网为阴极，进行阳极氧化，温度为23℃，电压为20V～40V，时间为1～2小时，得到表面为固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的钛片；/n(1-5)将步骤(1-4)的钛片置于乙醇和去离子水中清洗若干次、烘干备用；/n(2)将波长为800nm、重复频率为80MHz、脉冲宽度为50fs的飞秒激光聚焦到步骤(1)的固体二氧化钛纳米管阵列薄膜上，使激光强度为1.1×10

【技术特征摘要】
1.一种利用飞秒激光制备暴露高活性面的二氧化钛的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)利用阳极氧化法，在钛片表面制备固体二氧化钛纳米管阵列薄膜，过程如下：
(1-1)将钛片依次放入乙醇和去离子水中超声清洗三遍，烘干待用；
(1-2)按体积比为1:49～1:99量取水和乙二醇，配置成溶液A；
(1-3)向溶液A中加入质量分数为0.4％～0.6％的氟化铵，得到溶液B；
(1-4)利用步骤(1-3)的溶液B，以步骤(1-1)的钛片为阳极，铂网为阴极，进行阳极氧化，温度为23℃，电压为20V～40V，时间为1～2小时，得到表面为固体二氧化钛纳米管阵列薄膜的钛片；
(1-5)将步骤(1-4)的钛片置于乙醇和去离子水中清洗若干次、烘干备用；
(2)将波长为800nm、重复频率为80MHz、脉冲宽度为50fs的飞秒激光聚焦到步骤(1)的固体二氧化钛纳米管阵列薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，闫剑锋，乔明，
申请(专利权)人：清华大学，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11