專利名稱：在室溫下制備二氧化鈦薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種在室溫下制備二氧化鈦薄膜的方法。
背景技術(shù)：
二氧化鈦是一種被研究得最廣泛的化學(xué)物質(zhì)之一，二氧化鈦薄膜具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。二氧化鈦可以用作抗腐蝕材料，以及太陽能轉(zhuǎn)化過程中的光催化劑。二氧化鈦具有三種礦型，即金紅石型、銳鈦礦型和八面體型(brookite)。其中銳鈦礦型的二氧化鈦晶體具有顯著的光催化性質(zhì)，可以用于防污、抗菌、去除異味，還可用于光電響應(yīng)中。
九十年代以來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)染料敏化的二氧化鈦納米晶復(fù)合材料具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，這種驚人的現(xiàn)象一方面是由于染料敏化后擴(kuò)大了電極對(duì)太陽光的吸收范圍，另一方面是由于二氧化鈦納米晶電極與平板電極比較，比表面積增大了許多，而這種納米薄膜結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的產(chǎn)生和分離。這種材料有望在制備廉價(jià)的太陽能電池中起到重要作用。
目前，在染料敏化半導(dǎo)體納米晶太陽能電池的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究中，二氧化鈦納米晶電極的制備通常是通過溶膠-凝膠法及水熱法相結(jié)合進(jìn)行的。這種方法制備的薄膜具有厚度可控，二氧化鈦納米晶之間彼此聯(lián)系緊密，并與基片的附著力牢固，容易形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。但是此法存在著一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即需要在很高的溫度下，才能使晶粒長(zhǎng)大，并且要在高于400℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)的目的有兩個(gè)，一是為了徹底去除制備TiO2時(shí)摻入的有機(jī)物，二是有利于TiO2與基片的接觸，提高導(dǎo)電性。但是高溫?zé)Y(jié)只能適用于玻璃基片，對(duì)于要求制備具有柔軟基片的太陽能電池就不適用。
為了能夠在多種導(dǎo)電基片上沉積具有光催化活性的TiO2膜，科學(xué)家們進(jìn)行了一些探索。如申請(qǐng)?zhí)枮镃N96112659公開了一種利用水解法將TiO2膜直接沉積在基質(zhì)表面的方法，但是仍需要焙燒。另外，一些研究表明，利用水解法和電解法，避免高溫焙燒均可制得銳鈦礦型TiO2薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在柔軟基片，尤其是類似于導(dǎo)電塑料薄膜等在高溫下極易分解或變形的基片材料上，直接制備銳鈦礦型TiO2薄膜的方法。
本發(fā)明是利用真空濺射的方法將金屬鈦蒸鍍成特定厚度的金屬薄膜，然后通過電化學(xué)氧化的方法將此金屬膜氧化成銳鈦礦型的二氧化鈦薄膜。
本發(fā)明的在室溫下制備二氧化鈦薄膜的方法步驟如下(1).將導(dǎo)電基片分別用洗滌劑、水、乙醇、丙酮、蒸餾水、二次重蒸水、超純水清洗干凈，并且用氮?dú)獯蹈桑?2).將步驟(1)清洗干凈的導(dǎo)電基片置于濺射儀中，控制鍍膜時(shí)間在100秒-2000秒的范圍內(nèi)，將金屬鈦鍍?cè)趯?dǎo)電基片上形成金屬薄膜。
(3).選擇酸或堿的水溶液為電解質(zhì)溶液，對(duì)步驟(2)鍍有一層金屬鈦薄膜的導(dǎo)電基片進(jìn)行電解氧化；(4).電解結(jié)束后取出薄膜，用水沖洗干凈，得到具有納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜，其微孔在5-200nm之間。
所述的導(dǎo)電基片是導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娝芰稀?br> 所述的電解質(zhì)溶液包括硫酸、硝酸、高氯酸、鹽酸、氫氧化鉀或氫氧化鈉等。
所述的電解質(zhì)溶液的濃度應(yīng)控制在0.1M-5M的濃度范圍內(nèi)。
所述的電解的電壓可控制在5V-30V。
所述的電解的電流可控制在0.1mA-1A。
所述的二氧化鈦薄膜是銳鈦礦型TiO2薄膜。
本發(fā)明制備出的二氧化鈦納米薄膜具有光電響應(yīng)特性，并能與染料有效結(jié)合形成染料敏化半導(dǎo)體電極。
本發(fā)明制備出的二氧化鈦納米薄膜可以附著在多種基材上，同時(shí)兼具染料敏化光電響應(yīng)的特性，可用于制備多種太陽能電池，尤其在柔性的太陽能電池中將有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
本發(fā)明的制備方法可在常溫下進(jìn)行，拓寬了導(dǎo)電基片的選擇范圍。方法簡(jiǎn)便易行，可重復(fù)性好。
本發(fā)明制備的TiO2薄膜是由TiO2納米微粒組成的，具有光電響應(yīng)的性質(zhì)，可用做TiO2納米電極。當(dāng)用染料敏化后，產(chǎn)生了明顯的光電流和光電壓信號(hào)。
本發(fā)明利用真空濺射的方法將金屬鈦蒸鍍成膜，然后通過電化學(xué)氧化的方法將此金屬膜氧化成二氧化鈦薄膜。此薄膜具有納米結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生光電流和光電壓。當(dāng)其被染料敏化形成電池后，產(chǎn)生了明顯的光電響應(yīng)。該方法可以在多種導(dǎo)電基質(zhì)上沉積二氧化鈦薄膜，并實(shí)現(xiàn)染料敏化的固體或液體太陽能電池。


圖1.以導(dǎo)電玻璃為基片制備TiO2薄膜的掃描電鏡圖象。
圖2.以導(dǎo)電玻璃為基片制備TiO2薄膜的光電壓和光電流譜。
圖3.以導(dǎo)電玻璃為基片制備TiO2薄膜后，以卟啉衍生物作為染料，敏化此TiO2薄膜后測(cè)得的光電壓和光電流譜。
圖4.以導(dǎo)電塑料薄膜為基片制備TiO2薄膜后測(cè)得的光電壓和光電流譜。
具體實(shí)施例方式
權(quán)利要求
1.一種在室溫下制備二氧化鈦薄膜的方法，其特征是所述的方法步驟如下(1).將導(dǎo)電基片清洗干凈，吹干；(2).將步驟(1)清洗干凈的導(dǎo)電基片置于濺射儀中，控制鍍膜時(shí)間在100秒-2000秒的范圍內(nèi)，將金屬鈦鍍?cè)趯?dǎo)電基片上形成金屬薄膜；(3).選擇酸或堿的水溶液為電解質(zhì)溶液，對(duì)步驟(2)鍍有一層金屬鈦薄膜的導(dǎo)電基片進(jìn)行電解氧化；(4).電解結(jié)束后取出薄膜，清洗干凈，得到具有納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜，其微孔在5-200nm之間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的導(dǎo)電基片是導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娝芰稀?br> 3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的電解質(zhì)溶液包括硫酸、硝酸、高氯酸、鹽酸、氫氧化鉀或氫氧化鈉。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是所述的電解質(zhì)溶液的濃度在0.1M-5M。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的電解的電壓在5V-30V。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的電解的電流在0.1mA-1A。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的步驟(1)是用氮?dú)獯蹈汕逑春蟮膶?dǎo)電基片。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的二氧化鈦薄膜是銳鈦礦型TiO2薄膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種在室溫下制備二氧化鈦薄膜的方法。利用真空濺射的方法將金屬鈦蒸鍍成膜，然后通過電化學(xué)氧化的方法將此金屬膜氧化成二氧化鈦薄膜。此薄膜具有納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生光電流和光電壓。當(dāng)其被染料敏化形成電池后，產(chǎn)生了明顯的光電響應(yīng)。該方法可以在多種導(dǎo)電基質(zhì)上沉積二氧化鈦薄膜，并實(shí)現(xiàn)染料敏化的固體或液體太陽能電池。
文檔編號(hào)B01J21/06GK1467305SQ0212389
公開日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2002年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月8日
發(fā)明者翟錦, 常琳, 江雷, 翟 錦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所