二氧化钛纳米孔阵列薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二氧化钛纳米孔阵列薄膜及其制备方法。薄膜中的孔为有序通孔阵列，其通孔直径为１５～１３０ｎｍ、孔间距为２５～２００ｎｍ、孔隙率为３０～４０％，薄膜的厚度为１０～１０００ｎｍ；方法步骤为，第一步，使用二次氧化法得到孔直径为２０～１５０ｎｍ的多孔氧化铝模板；第二步，先使用无水乙醇、冰醋酸、钛酸四丁酯和水配制前驱体溶液，再用硝酸调节其ｐＨ值至２～３后向其中加入聚乙二醇而获得前驱体溶胶；第三步，先将前驱体溶胶涂覆于多孔氧化铝模板上，再对其保温干燥，重复涂覆、干燥的过程至少一次，接着，对涂覆有溶胶的氧化铝模板进行退火后，将其置于强碱溶液中腐蚀掉多孔氧化铝模板，制得二氧化钛纳米孔阵列薄膜。它可广泛应用于传感器、催化、光催化及光子晶体等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米孔阵列薄膜及制备方法，尤其是一种二氧化钛纳米 孔阵列薄膜及其制备方法。
技术介绍
二氧化钛是一种宽带隙半导体,在我们的生活中扮演着非常重要的角色。 随着人们对在清洁、能源、传感器件等方面日益增加的关注，其出色的催化、 光催化性能及其在染料敏化太阳能电池中的应用引起了人们愈来愈大的重 视。有着孔阵列结构的氧化物半导体纳米薄膜因其具有较大的比表面积以及 在各方面的优异性质越来越成为人们研究的热点。二氧化钛的众多性能都与 其比表面积有着直接的联系，具有孔阵列结构的二氧化钛薄膜的比表面积远 大于常规薄膜，并由于其周期性的孔阵列结构使其在传感器、催化、光催化 以及光子晶体等方面有着潜在的应用前景。目前，人们为了获得二氧化钛孔阵列薄膜，作了一些尝试和努力，如在2005年1月5曰公开的中国专利技术专利 申请公开说明书CN 1559671A中披露的一种"多孔二氧化钛的制造方法"。它 意欲提供一种利用二氧化钛悬浮液中化学成分的作用，使二氧化钛牢固地负 载在多孔性颗粒上的方法来制造多孔二氧化钛薄膜；其中，制造方法为先选 取纳米二氧化钛、聚烷基硅氧烷、聚丙烯酸酯和水，进行充分混合制成二氧 化钛悬浮液，再将多孔性颗粒，如多孔硅胶、多孔性辚灰石、多孔陶瓷或多 孔氧化铝中的一种或几种浸在上述二氧化钛悬浮液中，进行充分浸渍，或将 二氧化钛悬浮液喷涂在多孔颗粒表面，最后将处理后的多孔颗粒烘干。但是， 无论是制造方法，还是其制成品，都存在着不足之处，首先，制造不出有序 孔阵列二氧化钛薄膜，尤为不能制造出大面积的有序孔阵列二氧化钛薄膜； 其次，制成的多孔二氧化钛薄膜中的孔直径和孔间距均是随机的，是由模板 多孔性颗粒决定的，而不能人为地进行有效地控制。虽也有使用阳极氧化法 制备氧化铝多孔模板，用溶胶凝胶填充、热处理后去除模板而得到二氧化钛 多孔阵列的，如在2006年5月10日公开的中国专利技术专利申请公开说明书CN1769548A中的"制备一维取向的纳米二氧化钛管状晶薄膜的方法" 一文中提 及的，然而， 一是真正制得有序孔阵列二氧化钛薄膜的技术方案均未公开， 尤为涉及二氧化钛多孔阵列薄膜的孔直径、孔隙率和薄膜的厚度及其工艺参 数的制定和有效地进行控制等均需人们再去探索；二是其方法公开的仅为制 备纳米二氧化钛管状晶薄膜的，不能由其制得有序孔阵列二氧化钛薄膜，且还有着工艺繁杂、使用的原料多、耗能费时的缺陷。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，提供一种 薄膜上的孔呈有序排列的二氧化钛纳米孔阵列薄膜。本专利技术要解决的另 一个技术问题为提供一种方法简单可行、快速高效， 产物形貌可控、具有实用价值且对环境友好的二氧化钛纳米孔阵列薄膜的制 备方法。为解决本专利技术的技术问题，所釆用的技术方案为二氧化钛纳米孔阵列 薄膜包括二氧化钛，特别是所述二氧化钛呈多孔薄膜状,所述多孔薄膜中的 孔为有序通孔阵列，所述有序通孔阵列的孔直径为15 130nm、孔间距为25 ~ 200nm、孔隙率为30~40%，所述薄膜的厚度为10 ~ IOOO腿。为解决本专利技术的另一个技术问题，所釆用的另一个技术方案为二氧化 钛纳米孔阵列薄膜的制备方法包括二次氧化法和溶胶-凝胶法，特别是它是按 以下步骤完成的第一步，把纯度>99.9%的铝片在真空度<10—3Pa、温度为 400 600。C下退火4 7h后，先将其一面置于浓度为0. 1 ~ 0. 4M的酸溶液中 作为阳极，于直流电压为25~165V、温度为0 5。C下阳极氧化5~7h，再将 其于温度为50 7(TC的4 8wty。的磷酸和1 2wty。的铬酸的混和溶液中浸泡 8~12h,接着，将其已被阳极氧化过的一面再次于同样的工艺条件下进行第 二次阳极氧化18~24h，得到孔直径为20~150nm的多孔氧化铝模板；第二 步，先将无水乙醇、冰醋酸和浓度为0. 5-0. 7M的钛酸四丁酯，按照体积比 为O. 8~1.2: 0.1-0.5: 0. 3 ~ 0. 7混合后搅拌均匀得到混合液A，再将无水 乙醇和水按照体积比为5~9: 0. 6~1混合后搅拌均勻得到混合液B,接着， 先将混合液B加入混合液A中得到前驱体溶液，其中，混合液B中的无水乙 醇与混合液A中的无水乙醇间的体积比为5~9: 14~18,再用硝酸调节前驱体溶液的PH值至2 3,然后，先向前驱体溶液中加入聚乙二醇，其中，聚乙二醇的加入量为每升前驱体溶液中加入18 22g，再将其搅拌至少6h,并 陈化至少12h，得到前驱体溶胶；第三步，先将前驱体溶胶涂覆于多孔氧化 铝模板上，再将涂覆有前驱体溶胶的多孔氧化铝模板置于温度为100~14(TC 下保温10~20min,并重复本步骤的上述各过程至少一次，然后，先将其于 温度为450 55(TC下退火3~5h，再将其置于强碱溶液中腐蚀掉多孔氧化铝模板，制得二氧化钛纳米孔阵列薄膜。作为二氧化钛纳米孔阵列薄膜的制备方法的进一步改进，所述的酸溶液为草酸溶液或磷酸溶液或硫酸溶液；所述的水为去离子水或蒸馏水；所述的聚乙二醇的分子量为2000或4000或6000或10000或20000;所述的涂覆为旋涂或喷涂；所述的旋涂为将置于多孔氧化铝模板上的前驱体溶胶以500 ~1000转/s的速度旋转甩膜；所述的升温至100 14(TC时的升温速率为100~ 14(TC/s;所述的重复将前驱体溶胶涂覆于多孔氧化铝模板上，并对其进行保 温的过程为2~4次；所述的强碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液或氢氧 化锂溶液。相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的薄膜分别使用场发射扫 描电子显微镜、X-射线衍射仪和能谱测试仪以及比表面与孔隙率分析仪来进 行形态、结构、成分和孔隙率的表征，从得到的扫描电镜照片、X-射线衍射 谱图和扫描能谱图以及氮气吸附-脱附曲线图可知，薄膜上布满了有序通孔阵 列，该有序通孔阵列的孔直径为15~130nm、孔间距为25~ 200nm、孔隙率为 30~40%。薄膜的厚度为10~ 1000nm。薄膜由锐钛矿相二氧化钛构成；其二， 方法中使用多孔氧化铝模板为衬底，既因其有序的多孔结构为复形得到孔阵 列薄膜提供了前提条件，又为制得大面积的孔直径和孔间距均可控的孔阵列 薄膜奠定了基础。釆用钛酸四丁酯为前驱物、无水乙醇为溶剂，聚乙二醇为 结构导向剂，使得成本低廉、操作简单有效，且得到的溶胶均匀稳定。涂敷 工艺只需于大气气氛、常温下进行，简便易行，工艺可操作性好，可制备大 面积的薄膜，且易于剥离并转移衬底。总之，制备方法科学、合理、有效和 无污染；其工艺流程少，工艺参数可调范围宽，适用性强，重复性好，重复 涂膜耗时短，热处理快速易行，烧结温度低，耗能少，适合高质量的二氧化6钛有序孔阵列薄膜的制备，具有所需的设备少、工艺简单，生产成本低，适 于大规模工业化生产的优点。同时，本方法具有较好的可移植性，可用于其 它氧化物孔阵列薄膜的制备。作为有益效果的进一步体现， 一是酸溶液优选为草酸溶液或磷酸溶液或硫酸溶液，不仅使得原料的来源较为丰富，还使制备工艺更易实施且灵活；二是聚乙二醇的分子量优选为2000或4000或6000或10000或20000，可使通过对聚乙二醇链长的选择，来改变有序孔阵列聚集体的尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化钛纳米孔阵列薄膜，包括二氧化钛，其特征在于所述二氧化钛呈多孔薄膜状，所述多孔薄膜中的孔为有序通孔阵列，所述有序通孔阵列的孔直径为１５～１３０ｎｍ、孔间距为２５～２００ｎｍ、孔隙率为３０～４０％，所述薄膜的厚度为１０～１０００ｎｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金震，费广涛，庄重，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]