一种钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜的方法及其应用技术

本发明专利技术属于材料表面改性技术领域，具体涉及一种钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜的方法及其应用，通过对钛及钛合金进行水热湿蒸处理，在其表面原位生长出纳米TiO2薄膜。该方法通过调控纳米二氧化钛薄膜的形貌和颗粒尺寸大小，从而达到在不同波长范围内具有不同的光响应特性。本方法制备工艺简单、安全、样品易回收，与基体结合力强，避免了酸直接与基体接触从而降低对基体的腐蚀。所制备的二氧化钛具有可调控的光响应范围，在光催化、生物医用、传感器、耐磨防腐、自清洁等领域均具有较好的应用前景。前景。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜的方法及其应用


[0001]本专利技术属于材料表面改性
，具体涉及一种钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜的方法及其应用。

技术介绍

[0002]TiO2为其具有优良的生物相容性，光电性能和电磁性能，一直以来被广泛应用于涂料、防腐防污、自清洁玻璃、太阳能电池、光催化降解有机污染物、医用金属植入体涂层等领域。
[0003]纳米TiO2是一种n型半导体材料，禁带宽度较宽，其中，锐钛矿型为3.2ev，金红石型为3.02ev，因为纳米TiO2具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等特点，这些特性使得纳米二氧化钛半导体光催化活性均得到提高，所以使纳米二氧化钛作为光催化剂得到普遍应用。目前，二氧化钛光催化机理被认为如下：二氧化钛作为一种半导体，具有区别于金属或绝缘物质的特别能带结构，即在价带和导带之间存在一个禁带。当光照射半导体，光子能量高于半导体吸收阈值时，半导体价带电子就会获得能量发生带价跃迁至导带，从而形成光生电子和光生空穴。此时，吸附在二氧化钛表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子，而光生空穴可以将吸附在二氧化钛表面的氢氧根和水分子氧化成氢氧根自由基。超氧负离子和氢氧根自由基具有很强的氧化性，可以将大部分的有机物氧化成二氧化碳和水。
[0004]当光照结束时电子和空穴将会瞬间复位，因此光催化对紫外光的依赖性很强，太阳光中紫外光能到达地面的只有6.5％，而且紫外光可以被吸收，在空气中传播也有很大的损失，这大大影响了光催化的利用效率，在没有太阳光的室内就必须使用紫外荧光灯，这大大增加了设备费用。
[0005]目前研究的二氧化钛主要有粉体和薄膜两种。粉体二氧化钛由于存在易失活、易团聚、难回收的缺点，使它的应用被限制。近年来对二氧化钛的研究更倾向于二氧化钛薄膜，在载体上制各种形貌的二氧化钛薄膜。

技术实现思路

[0006]针对现有二氧化钛存在的问题，本专利技术开发一种工艺简单、操作安全、能耗较低且利于减小二氧化钛带隙，提高二氧化钛光催化性能的改性方法。TiO2纳米薄膜的组成、晶型、结构、孔隙大小、颗粒大小、膜的厚度等，都在很大程度上影响薄膜的性能。
[0007]本专利技术的主要目的在于在钛或钛合金的表面原位生长出可见光响应二氧化钛纳米薄膜，并对其进行改性。通过调控纳米二氧化钛的形貌尺寸从而去减小二氧化钛的禁带宽度，增强其可见光响应。还通过添加形貌引导液从而去抑制晶粒的生长，产生量子尺寸效应扩大能隙宽度增强氧化还原电位。使其具有优异的光吸收和光催化能力，从而显著提升其抗菌能力，有利于其在光催化、生物医用、传感器、耐磨防腐、自清洁等领域中的应用。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0009]本专利技术提供了一种钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜的方法，具体包括如下步骤：
[0010](1)将钛合金在硝酸和氢氟酸混合溶液中超声清洗，去除表面的氧化层，然后用去离子水冲洗干净，接着在无水乙醇中超声清洗，并用氮气将钛合金表面吹干；
[0011]其中，钛合金酸洗去除氧化层为混合酸(体积比为HF：HNO3：去离子水＝3：2：10)稀释15倍。
[0012](2)将清洗干净的钛合金放入聚四氟乙烯支架中，采用水热溶液浸泡，然后将该支架置于装有具有腐蚀溶液的反应釜中。进行水热湿蒸处理，从而在钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜；
[0013]其中，水热溶液为形貌引导液，可以为纯水或者是含有氯离子、碳酸根离子或硫酸根离子的盐溶液，调控形貌的水热溶液盐浓度为1M。
[0014]水热溶液中的盐为MgCl2、CaCl2、SrCl2、CaCO3或Na2SO4。
[0015]腐蚀溶液为氢氟酸溶液；
[0016]氢氟酸溶液中氢氟酸和水的体积比为0
‑
1％。
[0017]水热湿蒸的温度为100
‑
200℃，水热湿蒸处理的时间为1h
‑
10h。
[0018]有益效果：
[0019](1)本专利技术通过原位生长的方法制备的纳米二氧化钛薄膜与钛合金基体结合力强，不易脱落，并具有很好的耐蚀性、生物相容性和光催化性能；
[0020](2)本专利技术所涉及的二氧化钛制备方法简单易行，样品易回收，反应条件相对宽松，而且需要的设备不贵，有利于大规模的生产；
[0021](3)本专利技术通过调整酸的浓度进行水热反应，原位生长出不同形貌尺寸的二氧化钛薄膜，不同形貌TiO2薄膜具有丰富的表面缺陷及较大的比表面积，减小了TiO2的禁带宽度，从而将材料的光吸收扩展至可见光区的同时，增多了材料表面的反应活性位点，而其表面缺陷还可以捕获光生电子，降低光生载流子的复合率，产生更多的反应活性物种，从而提高光催化性能、亲水性能和耐腐蚀性能；
[0022](4)本专利技术通过添加盐溶液去调控二氧化钛的形貌，抑制晶粒的生长，从而产生了量子尺寸效应扩大能隙宽度增强氧化还原电位；
[0023](5)本专利技术使用的酸极少，避免了酸直接和钛合金接触对钛合金造成腐蚀，且反应结束后剩余的反应液体方便回收，不会对环境造成污染。
附图说明
[0024]图1所示为实施例1
‑
5制备的二氧化钛纳米薄膜的扫面电镜图，其中A为实施例1；B为实施例2；C为实施例3；D为实施例4；E为实施例5；
[0025]图2所示为实施例6以及对比例1、对比例2制备的二氧化钛纳米薄膜的扫面电镜图，其中A为实施例6；B为对比例1；C为对比例2；
[0026]图3所示为实施例7
‑
9以及对比例3的二氧化钛纳米薄膜的扫面电镜图，其中A为实施例7；B为实施例8；C为实施例9；D为对比例3；
[0027]图4为实施例10的二氧化钛纳米薄膜的扫面电镜图；
[0028]图5为实施例11的二氧化钛纳米薄膜的扫面电镜图；
[0029]图6所示为实施例1
‑
5制备的二氧化钛纳米薄膜的X
‑
射线衍射图谱；
[0030]图7所示为实施例1
‑
5制备的二氧化钛纳米薄膜的紫外吸收光图谱；
[0031]图8所示为实施例6以及对比例1、对比例2制备的二氧化钛纳米薄膜的紫外吸收光图谱；
[0032]图9所示为实施例7
‑
9以及对比例3的二氧化钛纳米薄膜的紫外吸收光图谱；
[0033]图10所示为实施例1
‑
4制备的二氧化钛纳米薄膜光催化降解亚甲基蓝图谱；
[0034]图11所示为实施例1
‑
4制备的二氧化钛薄膜抗菌实验结果图谱；
[0035]图12所示为水热反应示意图。
具体实施方式
[0036]下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步的说明，本专利技术的具体实施例及其说明仅用于解释本专利技术，并不对本专利技术的范围进行限定。
[0037]实施例1
[0038](1)钛合金酸洗去除氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：(1)将钛合金在硝酸和氢氟酸混合溶液中超声清洗，去除表面的氧化层，然后用去离子水冲洗干净，接着在无水乙醇中超声清洗，并用氮气将钛合金表面吹干；(2)将清洗干净的钛合金放入聚四氟乙烯支架中，采用水热溶液浸泡，然后将该支架置于装有具有腐蚀溶液的反应釜中，进行水热湿蒸处理，在钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜。2.根据权利要求1所述的钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜的方法，其特征在于，步骤(1)所述清洗钛合金的混合酸为HF、HNO3和去离子水按照3：2：10的体积比得到的混合酸，稀释15倍。3.根据权利要求1所述的钛合金表面原位生长二氧化钛薄膜的方法，其特征在于，步骤(2)所述水热溶液为纯水或者含有氯离子、碳酸根离子或硫酸根离子的盐溶液，水热溶液中盐浓度为1M。4.根据权利要求3所述的钛合金表面原位...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓兵，赵雅廷，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：