專利名稱：常溫常壓下等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶TiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種常溫常壓下等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶二氧化鈦薄膜的方法。
背景技術(shù)：
TiO2因具有光催化活性高且抗光腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難溶無毒和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，故是目前公認(rèn)較理想的光催化材料。其在紫外光輻照下生成電子-空穴對，產(chǎn)生相應(yīng)的活性氧(如OH基、過氧離子)，其氧化能力比臭氧還高，因此TiO2光催化材料具有自潔凈、消除環(huán)境污染物、抗菌和除臭等多種功能。然而粉末狀TiO2在使用過程中存在易凝聚、易流失、分離與回收困難、粉末粒子間對光的遮蔽等問題。解決這些問題的有效途徑是采用納米晶TiO2薄膜。納米晶TiO2薄膜的制備方法可分為液相法和氣相法兩大類。
在液相法中大多采用溶膠-凝膠法，如中國專利03118762.5提供了一種用溶膠-凝膠法在多孔陶瓷上制備二氧化鈦薄膜的方法。溶膠-凝膠法一般以鈦鹽為前驅(qū)物，經(jīng)水解、攪拌和陳化制成穩(wěn)定的涂膜溶膠，再將此溶膠涂覆在基體上，然后干燥、焙燒。涂覆、干燥、焙燒步驟往往需反復(fù)多次。因此該工藝費時繁瑣，尤其是其所需的高溫?zé)崽幚磉^程，不能適用于在不耐熱或熱不穩(wěn)定性的基體材料上制膜。
氣相法主要利用化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)、等離子體濺射等技術(shù)。其中，利用等離子體化學(xué)氣相沉積或等離子體濺射技術(shù)，特別適合于低溫乃至室溫下制備納米晶TiO2薄膜。如中國專利01134335.4提供了一種利用磁控濺射在玻璃、金屬、陶瓷等表面制備具有光催化活性的納米晶TiO2薄膜的方法。但現(xiàn)有的等離子體化學(xué)氣相沉積或等離子體濺射制備納米晶TiO2薄膜技術(shù)，主要存在低氣壓(10-1～102Pa)運行、放電裝置及真空系統(tǒng)投資費用高、沉積速率低、能耗高等問題。這在工業(yè)應(yīng)用上受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)制備納米晶TiO2薄膜存在的不足，提供一種常溫常壓下等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶TiO2薄膜的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用共面式介質(zhì)阻擋放電，在基體與絕緣介質(zhì)之間的短間隙產(chǎn)生薄層等離子體，TiCl4蒸氣與氧氣在薄層等離子體區(qū)反應(yīng)并沉積到基體上，在常溫常壓下直接制得具有光催化活性的納米晶TiO2薄膜。
本發(fā)明采用的基體與絕緣介質(zhì)之間的短間隙距離為0.1～3mm。本發(fā)明制備過程中，氣體總流速為0.1～2m/s，TiCl4與O2的摩爾比為0.005～0.5。本發(fā)明采用交流高壓電源，其頻率范圍為50Hz～10kHz。本發(fā)明的制備方法適合于金屬、非金屬等各種材質(zhì)的基體，尤其適合于不耐熱的有機高分子基體材料。采用該制備方法獲得的納米晶TiO2薄膜由20～30nm的晶粒組成，晶粒具有以銳鈦礦相為主、僅含有少量金紅石相的混晶結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的具體步驟是將若干根平行排列的電極1緊貼在0.2～2mm厚的絕緣介質(zhì)2上，并在它們上面采用絕緣膠或絕緣油均勻覆蓋形成絕緣密封層3，以保證它們之間的絕緣。絕緣介質(zhì)2采用氧化鋁、云母、石英玻璃、玻璃、有機玻璃或聚四氟乙烯等電絕緣物。絕緣介質(zhì)2上每根電極的寬度為0.2～8mm，電極之間的距離為0.2～5mm。這些平行排列的電極交錯與高壓端4和接地端5連接，高壓端4與50Hz～10kHz的交流高壓電源連接。需要沉積納米晶TiO2薄膜的基體6置于基體支撐臺7上?；w6與絕緣介質(zhì)2之間的間隙距離為0.1～3mm，此間隙為薄層等離子體區(qū)8。電極的長度和數(shù)目根據(jù)基體6的尺寸來確定。
在常溫常壓下，載氣(如氬氣、氦氣等)攜帶一定量TiCl4蒸氣并與氧氣或空氣混合，由入口端9流入，流經(jīng)薄層等離子體區(qū)8發(fā)生反應(yīng)，即可在基體6上直接沉積獲得具有光催化活性的納米晶TiO2薄膜。反應(yīng)后氣體從出口端10流出。氣體總流速為0.1～2m/s，TiCl4與O2的摩爾比為0.005～0.5。
本發(fā)明的效果和益處是提供一種在常溫常壓下利用等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶TiO2薄膜的方法，制備工藝簡單，操作方便，一步完成，原料廉價，薄膜沉積速率快，無需真空系統(tǒng)。另外，由于該方法采用能量集中的薄層等離子體，因此不僅具有能耗低的特點，而且可實現(xiàn)大面積制備TiO2納米晶TiO2薄膜。采用該方法，在常溫常壓下且無需任何熱處理即可直接制得高度晶化的納米TiO2薄膜，因此該方法適合于各種材質(zhì)的基體，尤其適合于不耐熱的有機高分子材料。


附圖是制備納米晶TiO2薄膜裝置示意圖。
圖中1電極，2絕緣介質(zhì)，3絕緣密封層，4高壓端，5接地端，6基體，7基體支撐臺，8薄層等離子體區(qū)，9入口端，10出口端。
具體實施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施方式
。
實施例1采用1mm厚的聚四氟乙烯薄板作為絕緣介質(zhì)2。在其上，平行排列4根長度為55mm、寬度為3mm的銅電極1。電極間距為3mm，它們交錯與高壓端4和接地端5連接，高壓端4與交流高壓電源連接。然后均勻涂抹環(huán)氧樹脂將這些電極絕緣密封固定在聚四氟乙烯薄板上。一片76mm×26mm×1mm的載玻片作為基體6，置于基體支撐臺7上，載玻片與聚四氟乙烯薄板之間的距離為1.5mm。在常溫常壓下，流量為50ml/min的Ar氣在常溫下攜帶TiCl4蒸氣與流量為100ml/min的O2及流量為4l/min的Ar氣混合后，流過載玻片與聚四氟乙烯薄板之間的短間隙。頻率為5kHz，峰-峰值為28kV的正弦波交流高壓施加于高壓電極上，常溫常壓下放電沉積5分鐘。
在上述條件下所獲得的是以銳鈦礦相為主、僅混有少量金紅石相的納米晶TiO2薄膜。薄膜厚度約70nm，晶粒大小為20～25nm。
將上述所制備的納米晶TiO2薄膜，置于10ml初始濃度為2.90mg/l的甲醛溶液中，在8W，254nm的紫外燈下輻照2小時，甲醛濃度下降至2.43mg/l。另取空白載玻片進(jìn)行對比實驗，將空白載玻片也置于10ml初始濃度為2.90mg/l的甲醛溶液中，并同樣在8W，254nm的紫外燈輻照2小時，甲醛濃度沒有任何降低。
實施例2采用1mm厚的聚四氟乙烯薄板作為絕緣介質(zhì)2。在其上，平行排列4根長度為55mm、寬度為3mm的銅電極1。電極間距為3mm，它們交錯與高壓端4和接地端5連接，高壓端4與交流高壓電源連接。然后均勻涂抹環(huán)氧樹脂將這些電極絕緣密封固定在聚四氟乙烯薄板上。一片76mm×26mm×1mm的有機玻璃片作為基體6，置于基體支撐臺7上，有機玻璃片與聚四氟乙烯薄板之間的距離為1.5mm。在常溫常壓下，流量為50ml/min的Ar氣在常溫下攜帶TiCl4蒸氣與流量為100ml/min的O2及流量為4l/min的Ar氣混合后，流過有機玻璃片與聚四氟乙烯薄板之間的短間隙。采用酒精溫度計測量有機玻璃片臨近的薄層等離子體區(qū)8的溫度。頻率為5kHz，峰-峰值為28kV的正弦波交流高壓施加于高壓電極上，在常溫常壓下啟動放電。所測溫度與放電時間的變化如下

權(quán)利要求
1.一種常溫常壓下等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶TiO2薄膜的方法，其特征是采用共面式介質(zhì)阻擋放電，在基體(6)與絕緣介質(zhì)(2)之間的短間隙產(chǎn)生薄層等離子體，TiCl4蒸氣與氧氣在薄層等離子體區(qū)(8)反應(yīng)并沉積到基體(6)上，在常溫常壓下直接制得具有光催化活性的納米晶TiO2薄膜。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種常溫常壓下等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶TiO2薄膜的方法，其特征是采用的基體(6)與絕緣介質(zhì)(2)之間的短間隙距離為0.1～3mm。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種常溫常壓下等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶TiO2薄膜的方法，其特征是制備過程中氣體總流速為0.1～2m/s，TiCl4與O2的摩爾比為0.005～0.5。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種常溫常壓下等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶TiO2薄膜的方法，其特征是采用交流高壓電源，其頻率范圍為50Hz～10kHz。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種常溫常壓下等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶TiO2薄膜的方法，其特征是所獲得的納米晶TiO2薄膜由20～30nm的晶粒組成。
全文摘要
一種常溫常壓下等離子體化學(xué)氣相沉積制備納米晶TiO
文檔編號C01G23/07GK101045611SQ20071001070
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者朱愛民, 丁天英, 石川, 徐勇 申請人:大連理工大學(xué)