纳米二氧化钛薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米二氧化钛薄膜的制备方法，该方法将基材浸渍在含氟钛配合物的水溶液中，加氟离子捕获剂和结晶诱导剂，并加紫外光照，在基材表面沉积出具有光催化活性和超亲水性的纳米二氧化钛薄膜。本发明专利技术具有设备简单，制备过程能在低温下实施，容易在大面积和／或复杂形状的基材上成膜，对于基材没有耐热性限制的要求，适用面广的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米二氧化钛薄膜的低温制备方法。
技术介绍
二氧化钛是一种重要的无机功能材料，在许多领域中已有重要的应用，利用它的半导体光催化性能，可产生三种效应(1)半导体电极效应，可用于太阳能转换和储存；(2)强氧化还原效应，产生的自由基几乎能氧化所有的有机基团，而最终将它们完全分解，可用于降解有害有机化合物，废水处理，空气净化，并且有杀灭病毒和肿瘤细胞、抗菌、防霉、和除臭的功能；(3)超亲水效应，基材表面经超亲水改性后具有防污、防雾、易洗和易干的功能，被称为“自清洁材料”。另外，利用二氧化钛的大折射率，还用于制备光学材料。目前在制备二氧化钛薄膜的已知可行方法中，化学气相沉积法、溅射法和电沉积法需要昂贵的设备；将二氧化钛粉末加粘接剂的制膜法所制得的涂膜层厚，强度差，含有机物的粘接剂会因二氧化钛光催化而分解；溶胶-凝胶法除需除去有害的有机溶剂外，还需经高温(400-600℃或真空条件下300℃)热处理。更值得注意的是上述方法都存在以下问题难在大面积和/或复杂形状的基材上覆盖均匀的二氧化钛薄膜；在有些不耐高温的基材(如塑料、橡胶、天然及合成纤维、功能高分子材料、木材、纸张等)上，难以获得具有光催化活性的二氧化钛薄膜，因而限制它们的适用范围。为了解决上述存在的问题，专利文献WO 98/11020披露了一种二氧化钛薄膜的新制备方法在含氟钛配合物的水溶液中，加氟离子捕获剂，浸渍基材，在基材表面形成含锐钛矿晶型的二氧化钛薄膜。该方法有效地的解决了大面积和/或复杂形状基材上成膜和对基材需有耐热性限制的问题。但采用该方法制得的二氧化钛薄膜光催化活性不高，难以满足某些实际应用的要求，有待提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服制备二氧化钛薄膜的已知可行方法的不足，提出一种具有高光催化活性、强超亲水性能、高透光率及表面均匀的。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供的的具体步骤为在含氟钛配合物的水溶液中，加入氟离子捕获剂和结晶诱导剂，搅拌均匀，放入预先洗净的基材，置于紫外光照下，控温，沉积一定时间后取出，用纯水洗掉表面附着物，在室温下干燥，得在基材表面负载的纳米二氧化钛薄膜。在本专利技术中，氟钛配合物选自六氟钛酸、六氟钛酸铵及其混合物，且一般以水溶液的形式使用，通常的浓度范围是在0.01-1.0mol·L-1，更好的浓度范围是0.1-0.3mol·L-1，在此浓度范围内能得到透明度高，均匀性好的二氧化钛薄膜。如果浓度低于0.01mol·L-1，则沉积二氧化钛薄膜的速度很慢；如果浓度高于1.0mol·L-1，沉积的二氧化钛薄膜透明度低，对基材的附着力差。在本专利技术中，氟离子的捕获剂选自硼酸或金属铝。氟离子捕获剂的用量与溶液中氟钛配合物的摩尔比为2-5∶1。硼酸一般以水溶液的形式使用，通常的浓度范围是0.02-5.0mol·L-1，更好的浓度范围是0.2-1.5mol·L-1，在此浓度和用量范围内，能得到透明度高，均匀性好的二氧化钛薄膜。如果浓度低于0.02mol·L-1，沉积二氧化钛薄膜的速度很慢，如果摩尔比小于2∶1，在沉积的二氧化钛薄膜中会包含中间产物氟化氧钛，并且透明度低，附着力差；如果浓度大于5.0mol·L-1或摩尔比大于5∶1，沉积的二氧化钛薄膜透光率低，均匀性变差。在本专利技术中，结晶诱导剂是锐钛矿型二氧化钛纳米晶粉体，平均粒径在1-100nm范围内，对它的添加量无严格限制，一般加微量即可。通常以晶体分散液的形式使用。添加结晶诱导剂，能有效的加快结晶性二氧化钛薄膜的析出速度。在本专利技术中，反应温度一般的范围是25-70℃，更好的温度范围是35-40℃。如果反应温度低于25℃，沉积的二氧化钛薄膜为非晶型结构；如果反应温度高于70℃，在基材上生成的锐钛矿型纳米二氧化钛薄膜容易脱落。在本专利技术中，沉积时间一般的范围是2-48小时，更好的沉积时间是8-12小时。沉积时间短于2小时，沉积的二氧化钛薄膜过于薄，光催化活性过低，无实用价值；沉积时间长于48小时，膜厚增长速度过慢，并且膜层易于剥落。在本专利技术中，用于辐照的光源是波长为200-400nm紫外光，通常选用功率在500W以下，主要波长在365nm的高压汞灯或主要波长在254nm的低压汞灯。紫外光照能有效的提高二氧化钛薄膜的光催化活性和超亲水性能。如果选用波长短的紫外光照，易使二氧化钛的晶型向金红石型转变；过高辐照强度的紫外光照，会使沉积的二氧化钛薄膜在基材上的附着力差。相对于现有技术的纳米二氧化钛的制备方法，本专利技术制备方法获得的二氧化钛具有高光催化活性、强超亲水性能、高透光率及表面均匀；并且本专利技术具有设备简单，制备过程能在低温下实施，容易在大面积和/或复杂形状的基材上成膜，对于基材没有耐热性限制的要求，适用面广的特点；本专利技术制备的薄膜材料可用于降解环境污染物、废水处理、空气净化、杀灭病毒和肿瘤细胞、抗菌、防霉、除臭、防污、制备自清洁材料和制备光学材料。附图说明图1为负载于基材表面的纳米二氧化钛薄膜的剖面图。图2为光催化实验测得的染料亚甲兰降解率与时间关系曲线图。图3为超亲水性实验测得的接触角随紫外光照时间变化的曲线图。其中1为基材；2为纳米二氧化钛薄膜；1’为在35℃下沉积的二氧化钛薄膜；2’为在35℃和紫外光照下沉积的二氧化钛薄膜；1″为在35℃下沉积的二氧化钛薄膜；2″为在35℃和紫外光照下沉积的二氧化钛薄膜。具体实施例方式下面结合具体的实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明本专利技术下述实施例和比较例采用如下测定方法1、晶型结构测定用理学D/max-rB型X射线衍射仪对从基材上取下的薄膜粉体进行晶型结构分析，并用Scherrer公式计算晶粒的平均粒径大小。2、透光率测定用普析TU-1901型紫外可见分光光度计，在波长400-800nm范围，测定薄膜的透光率。3、光催化活性测定将浸渍了浓度0.001mol·L-1亚甲兰溶液的薄膜，避光室温干燥后，在波长为365nm，辐照强度为1mW·cm-2的紫外光照下，测定纳米二氧化钛薄膜对染料亚甲兰的光催化降解。4、超亲水性测定用Face CA-XP150型接触角测量仪，测定薄膜的超亲水性能，紫外灯功率15W，波长365nm。实施例称取19.8克六氟钛酸铵，溶入500ml纯水中，配制成0.2mol·L-1的六氟钛酸铵水溶液(A)。称取18.5克硼酸，溶入500ml纯水中，配制成0.6mol·L-1的硼酸水溶液B。称取锐钛矿型纳米二氧化钛晶粉体8克，放入200ml的纯水中，搅拌，静置二天以上，作为晶种分散液C。取A液50ml，加入C液2ml，在35℃下搅拌24小时，加入B液50ml，将该混合溶液搅拌均匀。用稀硝酸、无水乙醇和纯水超声波洗净载玻片(2.5cm×7.5cm)，放入上述混合溶液中，在功率为125W，波长为365nm，辐照强度为15mW·cm-2的高压汞灯光照下，恒温在35℃，沉积8小时，取出后，用纯水洗净，室温下干燥，制得以玻璃片为基材的纳米二氧化钛薄膜，其构造的剖面如图1所示。测定结果表明薄膜中含锐钛矿型二氧化钛纳米晶，平均粒径为10nm；在波长400-800nm范围，薄膜的透光率大于80％；如图2所示，在辐照强度为1mW·cm-2的紫外光下，辐照40分钟，染料亚甲兰的降解率为44.7％；如图3所示，光照前，水滴与薄膜的接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米二氧化钛薄膜的制备方法，在含有氟钛配合物的水溶液中，加氟离子捕获剂和结晶诱导剂，低温下，在基材表面沉积出纳米二氧化钛薄膜，其特征是沉积过程在紫外光照下进行。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：方侃，
申请(专利权)人：方侃，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]