專利名稱：一種制備納米二氧化鈦薄膜的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化工技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種制備具有光催化活性的納米二氧化鈦薄膜的方法。
已經(jīng)報(bào)道的TiO2薄膜制備方法很多，例如反應(yīng)磁控濺射、溶膠-凝膠方法、化學(xué)氣相沉積方法等，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。如用直流反應(yīng)磁控濺射等物理法在玻璃表面沉積TiO2薄膜，得到的自清潔玻璃具有良好的透明性、較強(qiáng)的光催化性能和光致超親水性，薄膜均勻、厚度可控，但必須真空系統(tǒng)，設(shè)備價(jià)格昂貴，另外濺射速率也是制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸之一；應(yīng)用溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜具有純度高、反應(yīng)條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但需要在較高溫度下進(jìn)行烘烤；而化學(xué)氣相沉積法在制備大面積薄膜時(shí)尚存在一定的難度。通過(guò)電化學(xué)沉積技術(shù)也可在導(dǎo)電的基片上制備TiO2薄膜。在馬福爐中加熱氧化金屬鈦片或者通過(guò)高電壓下在H2SO4溶液中金屬鈦片陽(yáng)極氧化也可在其表面形成TiO2薄膜，最近有報(bào)道應(yīng)用火焰加熱氧化金屬鈦片得到的TiO2薄膜具有良好的光分解水的性能。二氧化鈦薄膜制備工藝的研究是納米TiO2應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。
本發(fā)明提出的制備納米二氧化鈦薄膜的方法，是將金屬鈦片或金屬鈦絲直接在空氣中通電加熱，使表面的鈦氧化成納米二氧化鈦(TiO2)薄膜；其加熱的溫度范圍為700～1000℃，時(shí)間為10～60分鐘。
上述方法中，由于金屬鈦片(絲)的電阻與其尺寸密切相關(guān)，所以一般控制通過(guò)的電流大小為使發(fā)熱功率處于3.8-20W之間。金屬鈦的電阻率一般取47.8Ω·cm，電阻按室溫下計(jì)。例如，金屬鈦片的尺寸為1×5cm，厚度為0.25cm，則控制電流約為20-30A。又如金屬鈦絲的尺寸為30cm，直徑為0.4mm，則控制電流約為2-4A。
對(duì)應(yīng)于上述制備工藝，本發(fā)明所使用的裝置如下由變壓器、調(diào)壓器、電流表、電壓表經(jīng)電路連接組成，其中，調(diào)壓器4與變壓器3相連，調(diào)節(jié)變壓器的輸入電壓，電流表A、樣品5(金屬鈦片或金屬鈦絲)串聯(lián)于調(diào)壓器4兩端，電壓表V與樣品5并聯(lián)。結(jié)構(gòu)見(jiàn)

圖1所示。變壓器1接220伏市電。
實(shí)驗(yàn)表明，由本發(fā)明提出的新工藝制備的納米二氧化鈦薄膜具有典型的n型半導(dǎo)體的特征和良好的光催化性能。
1.在光(254nm)照射下，以新工藝制備的TiO2薄膜表現(xiàn)出明顯的陽(yáng)極光電流，光電流密度約為50μA.cm-2，如圖3所示，說(shuō)明由該新工藝制備的納米TiO2薄膜具有典型的n型半導(dǎo)體的特征，可在太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換中得到應(yīng)用。
2.在功率密度約為200μW/cm2，波長(zhǎng)為254nm的紫外光下照射，以本發(fā)明提出的新工藝制備的TiO2薄膜對(duì)染料亞甲基藍(lán)表現(xiàn)出良好的光催化分解性能，如圖4所示，反應(yīng)速率常數(shù)約為5×10-3min-1。本發(fā)明提出的新工藝制備的TiO2薄膜可應(yīng)用于光催化污水處理以及空氣凈化方面。
3.薄膜的XRD測(cè)試表明，以本工藝制備的TiO2薄膜結(jié)構(gòu)為金紅石晶型，如圖5所示。根據(jù)謝樂(lè)公式計(jì)算出相應(yīng)的晶粒尺寸約在23.4～41.9nm之間。
圖2TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖，1為T(mén)iO2薄膜；2為T(mén)i基底。
圖3通電制備TiO2薄膜的光電流測(cè)定(金屬鈦片，20A，氧化時(shí)間30min)。
圖4光催化降解亞甲基藍(lán)實(shí)驗(yàn)，(a)為亞甲基藍(lán)降解過(guò)程的可見(jiàn)光譜；(b)為亞甲基藍(lán)降解過(guò)程的可見(jiàn)光譜663.2nm處的ln(A0/At)～t關(guān)系圖(金屬鈦絲，9.5V氧化時(shí)間30min)。
圖5在鈦片表面制備的TiO2薄膜的XRD譜(金屬鈦片，30A，氧化時(shí)間30min)。
圖6在鈦片表面制備的TiO2薄膜的SEM譜(金屬鈦片，30A，氧化時(shí)間10min)。
實(shí)施例2將1×5的金屬鈦片(厚度為0.25mm)固定在調(diào)壓器的輸出端，調(diào)節(jié)流過(guò)金屬鈦片的電流為30A，這時(shí)金屬鈦片兩端的電壓為1.4V，加熱的溫度約為800℃，通電時(shí)間30min后得到的TiO2薄膜的XRD譜為圖5所示；通電時(shí)間10min得到的TiO2薄膜的SEM譜為圖6所示。
實(shí)施例3直徑為0.4mm的金屬鈦絲，長(zhǎng)度為30cm，固定在調(diào)壓器的輸出端，當(dāng)金屬鈦絲兩端的電壓為9.5V，電流為2.8A，通電時(shí)間30min后得到的TiO2薄膜光催化分解亞甲基藍(lán)的速率常數(shù)為5.21×10-3min-1(圖4)。
實(shí)施例4將1×5的金屬鈦片(厚度為0.25mm)固定在調(diào)壓器的輸出端，調(diào)節(jié)流過(guò)金屬鈦片的電流為30A，這時(shí)金屬鈦片兩端的電壓為1.4V，加熱的溫度約為800℃，通電時(shí)間60min后得到TiO2薄膜光催化分解亞甲基藍(lán)的速率常數(shù)為1.29×10-3min-1。
權(quán)利要求
1.一種制備納米二氧化鈦薄膜的方法，其特征在于將金屬鈦片或金屬鈦絲直接在空氣中通電加熱，使表面的鈦氧化成納米二氧化鈦(TiO2)薄膜；其加熱的溫度范圍為700～1000℃，時(shí)間為10～60分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于控制通過(guò)的電流大小為使發(fā)熱功率處于3.8-20W之間。
3.一種制備納米二氧化鈦薄膜的裝置，其特征在于由變壓器、調(diào)壓器、電流表、電壓表經(jīng)電路連接組成，其中，調(diào)壓器(4)與變壓器(3)相連，調(diào)節(jié)變壓器的輸入電壓，電流表A、樣品(5)串聯(lián)于調(diào)壓器(4)兩端，電壓表V與樣品(5)并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明為一種制備納米二氧化鈦薄膜的方法及其裝置。具體是在空氣中通電加熱金屬鈦片(絲)，控制加熱溫度、時(shí)間和電流，使其表面氧化成納米二氧化鈦薄膜。本發(fā)明操作工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備價(jià)格低廉，而制得的薄膜的光催化性能良好，可用于太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換、污水處理、空氣凈化等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B01J37/00GK1473649SQ0314149
公開(kāi)日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2003年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月10日
發(fā)明者崔曉莉, 沃松濤, 賈曉婷, 楊錫良, 章壯健 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)