CN101239737A

CN101239737A - 具有分级结构的二氧化钛薄膜材料及其制备方法

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Publication number: CN101239737A
Application number: CNA2008101012138A
Authority: CN
Inventors: 孙承华; 周树云; 陈萍; 胡秀杰; 王暖霞
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: CN101239737B

Abstract

本发明属于二氧化钛薄膜材料领域，特别涉及具有分级结构的二氧化钛薄膜材料及其制备方法。本发明结合静电纺丝与水热合成制备技术，获得了分级结构的二氧化钛薄膜材料，其是由直径为2～6微米的二氧化钛纤维相互交织构成的厚度为20～100微米的二氧化钛薄膜，其中二氧化钛纤维是由以锐钛矿型的二氧化钛线为中心和有序生长在二氧化钛线上的金红石型的二氧化钛纳米棒组成，二氧化钛纳米棒的直径约为100～300nm、长度约为1～3微米。本发明的二氧化钛薄膜材料具有较好的强度和较大的比表面积，在太阳能电池、光催化、自清洁等方面有重要的应用。

Description

具有分级结构的二氧化钛薄膜材料及其制备方法

技术领域

本发明属于二氧化钛薄膜材料领域，特别涉及具有分级结构的二氧化钛薄膜材料及其制备方法。

发明背景

二氧化钛是一种性能优异的粉体材料，具有无毒、环保、价格低廉等优点，广泛用于建筑涂料、光催化、太阳能电池等方面。二氧化钛的制备方法很多，常用的有化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、电化学方法、反应溅射法、液相沉积法、离子自组装技术等。气相法是将含有构成薄膜成分的一种或几种化合物和单质气体供给基片，在基片表面产生化学反应而形成不挥发的固态膜层或材料的方法，其原理见“TiO₂纳米薄膜的制备及应用进展”(李小甫，光电子技术与信息，2003，16(3)：6)和“纳米二氧化钛制备方法的研究进展”(马军委，无机盐工业，2006，38(10)：5)。气相法中应用较广泛的有四氯化钛气相法、钛醇盐气相沉积法磁控溅射法等，其技术方案和工艺路线在ZL01138059.4、ZL200610033694.4，ZL01806857.X、ZL01134335.4等中有详细叙述。

液相法包括溶胶-凝胶法、水热合成法等。溶胶-凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶胶-凝胶化处理形成氧化物或其它固体化合物的方法.其过程为：将酯类或金属醇盐溶于溶剂，在溶剂中均匀混合并进行水解反应和聚合反应，生成稳定且无沉淀的溶胶体系，采用旋涂法和提拉法制膜，然后经过热处理得到所需薄膜。其原理和工艺路线可参考“溶胶-凝胶法合成TiO₂纳米粉末和薄膜”(包定华，无机材科学报，1996，11(3)：454)。水热合成法是指在密封的压力容器中，以水为溶剂，在高温高压的条件下进行的化学反应，不需要高温煅烧和粉碎等后续处理，是一种制作陶瓷材料的新方法，在Hydrothermal synthesis of advanced ceramic powders(Dawson，America Ceramic Society Bull，1988，67(10)：1673)中有详细论述。近年来水热合成法也被用于二氧化钛材料的制备，见“超细TiO2的合成研究”(祖庸，西北大学学报，1998，28(1)：51)以及ZL02138370.7，ZL02150721.X、ZL01141981.4等。

利用上述方法也可以制备出二氧化钛薄膜，但制备出的二氧化钛薄膜一般均是单一结构或单一晶型的二氧化钛晶粒组成。利用不同形貌和晶型的二氧化钛纳微米材料通过有序复合、形成多重分级结构的二氧化钛薄膜材料的研究尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供具有分级结构的二氧化钛薄膜材料。

本发明的再一目的是提供一种具有分级结构的二氧化钛薄膜材料的制备方法。

本发明的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料是由直径为2～6微米的二氧化钛纤维相互交织构成的厚度为20～100微米的二氧化钛薄膜，其中二氧化钛纤维是由以锐钛矿型的二氧化钛线为中心和有序生长在二氧化钛线上的金红石型的二氧化钛纳米棒组成，二氧化钛纳米棒的直径约为100～300nm、长度约为1～3微米。

所述的二氧化钛线的直径在0.2～2微米之间。

所述的相互交织的二氧化钛纤维使用静电纺丝法制得，所述的二氧化钛纳米棒由水热合成法制备。

所述的静电纺丝法是一种新型的制备纤维及无纺薄膜的方法，其原理和工艺可参考“Three-point bending of electrospun TiO₂ nanofibers”(Sung-HwanLee，Materials Science and Engineering A，Volume 398，Issues 1～2，2005，p77)和US2005109385-A1。

所述的静电纺丝法使用的静电纺丝设备一般由高压直流电源、给液装置、喷射装置和接收装置等四部分组成，其中高压直流电源的最大输出电压为30KV，喷射装置可以为单孔型、多孔型等，接收装置为导电的金属盘、金属网或导电玻璃等。该设备的结构可参考“静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景”(覃小红，《高科技纤维与应用》2004，29(2)：28)。

本发明的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料的制备方法包括以下步骤：

1).配制静电纺丝用二氧化钛前驱体溶胶，所述的静电纺丝用二氧化钛前躯体溶胶由质量浓度为0.2～2％的聚乙烯吡咯烷酮(以下简称PVP)、质量浓度为10～30％的醋酸，质量浓度为10～30％的钛酸酯或钛酸盐及余量为乙醇组成；

所述的钛酸酯可以为钛酸四丁酯、钛酸四乙酯或钛酸四丙酯等；所述的钛酸盐是四氯化钛等。

2).将步骤1)得到的二氧化钛前驱体溶胶加入到现有静电纺丝设备的给液装置中，调整纺丝工作距离为3～10cm之间、工作电压为5～25KV之间；使二氧化钛前驱体溶胶从静电纺丝设备的喷射装置中以二氧化钛前驱体线的形式喷出，在接收装置上获得二氧化钛前驱体线组成的薄膜；

3).将步骤2)得到的二氧化钛前驱体线组成的薄膜在马弗炉中500℃左右煅烧2小时左右；得到二氧化钛线组成的二氧化钛电纺膜，电纺膜的厚度在20～100微米之间，组成二氧化钛电纺膜的二氧化钛线的直径在0.2～2微米之间；

4).配制水热合成用的二氧化钛前躯体溶胶，所述的水热合成用二氧化钛前躯体溶胶是由质量浓度为0.5～5％的钛酸酯或钛酸盐、质量浓度为5～25％的无机酸及余量为水组成；

所述的钛酸酯可以为钛酸四丁酯、钛酸四乙酯或钛酸四丙酯等；所述的钛酸盐是四氯化钛等。所述的无机酸可以是盐酸、硫酸或硝酸等。

5).将步骤4)得到的二氧化钛前躯体溶胶、步骤3)得到的二氧化钛电纺膜加入到容器内(如聚四氟乙烯内衬的不锈钢容器)，其中二氧化钛前躯体溶胶与电纺膜的质量比为200∶1～50∶1，将容器密封后放入烘箱内，在50～200℃下加热2～24小时，进行水热合成，使二氧化钛纳米棒生长在二氧化钛电纺膜上；从烘箱内取出容器，冷却至室温，开启容器，从溶液中取出已生长有二氧化钛纳米棒的二氧化钛电纺膜，去离子水冲洗干净后，在50℃左右下烘干，即得到本发明所述的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料。

本发明结合静电纺丝与水热合成制备技术，获得了分级结构的二氧化钛薄膜材料，其是本发明的主要特征。本发明的二氧化钛薄膜材料具有较好的强度和较大的比表面积，在太阳能电池、光催化、自清洁等方面有重要的应用。

附图说明

图1为本发明实施例1步骤3)得到的二氧化钛电纺膜的扫描电镜图。

图2为本发明实施例1制备的二氧化钛薄膜材料的扫描电镜图。

图3为本发明实施例1的二氧化钛薄膜中二氧化钛纤维的放大图。

图4为本发明实施1步骤3)得到的二氧化钛薄膜的X射线衍射图。

图5为本发明实施例1制备的二氧化钛薄膜材料的X射线衍射图。

图6为本发明实施例2制备的二氧化钛薄膜的扫描电镜图。

图7为本发明实施例3制备的二氧化钛薄膜的扫描电镜图。

图8为本发明实施例4制备的二氧化钛薄膜的扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

1)配制静电纺丝用二氧化钛前驱体溶胶。所述的静电纺丝用二氧化钛前躯体溶胶由质量浓度为0.5％的PVP、质量浓度为20％的醋酸，质量浓度为20％的钛酸四丁酯及余量为乙醇组成；

2)将步骤1)得到的二氧化钛前驱体溶胶加入到现有静电纺丝设备的给液装置中，调整纺丝工作距离8cm、工作电压18KV，步骤1)得到的二氧化钛溶胶即从喷射装置中以二氧化钛前驱体线的形式喷出，在接收装置上获得二氧化钛前驱体线组成的薄膜；

3)将步骤2)得到的二氧化钛前驱体线组成的薄膜在马弗炉中500℃煅烧2小时；得到二氧化钛线组成的二氧化钛电纺膜，二氧化钛线的直径在0.3～1.0微米之间，见图1；

4)配制水热合成用的二氧化钛前躯体溶胶，所述的水热合成用二氧化钛前躯体溶胶由质量浓度为2.5％的钛酸四丁酯、质量浓度为18％的盐酸，余量为水组成；

5)将步骤4)得到的溶胶、步骤3)得到的二氧化钛电纺膜加入到以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢容器内，其中二氧化钛前躯体溶胶与电纺膜的质量比为200∶1，将容器密封后放入烘箱内，在温度为120℃下加热12小时，进行水热合成。从烘箱内取出容器，冷却至室温，开启容器，从溶液中取出薄膜，去离子水冲洗干净后50℃下烘干，得到具有分级结构的二氧化钛薄膜材料。

所述的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料的厚度为60微米，由直径4～6微米的二氧化钛纤维相互交织组成，其中二氧化钛纤维是由以锐钛矿型的二氧化钛线为中心和径向生长在二氧化钛线上的金红石型的二氧化钛纳米棒组成，纳米棒的直径约200～300nm、长度2～3微米。分别见图2、图3。

图4和图5中的XRD结果表明了电纺膜上的二氧化钛线是锐钛矿型的，而二氧化钛纳米棒的晶型是金红石型的。

实施例2

1)配制静电纺丝用二氧化钛前驱体溶胶。所述的静电纺丝用二氧化钛前躯体溶胶由质量浓度为1.0％的PVP、质量浓度为15％的醋酸，质量浓度为15％的钛酸四丙酯及余量为乙醇组成。

3)将步骤2)得到的二氧化钛前驱体线组成的薄膜在马弗炉中500℃煅烧2小时；得到二氧化钛线组成的二氧化钛电纺膜，二氧化钛线的直径在1.0～2.0微米之间；

5)将步骤4)得到的溶胶、步骤3)得到的二氧化钛电纺膜加入到以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢容器内，其中二氧化钛前躯体溶胶与电纺膜的质量比为200∶1，将容器密封后放入烘箱内，在温度为120℃下加热12小时，进行水热合成。从烘箱内取出容器，冷却至室温，开启容器，从溶液中取出薄膜，去离子水冲洗干净后50℃下烘干，得到具有分级结构的二氧化钛薄膜材料。所述的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料的厚度为30微米，由直径2～4微米的二氧化钛纤维相互交织组成，其中二氧化钛纤维是由以锐钛矿型的二氧化钛线为中心和径向生长在二氧化钛线上的金红石型的二氧化钛纳米棒组成，纳米棒的直径约100～200nm、长度1～2微米。见图6。

实施例3

静电纺丝二氧化钛前躯体溶胶配制、静电纺丝及煅烧同实施例1；

1)配制水热合成用的二氧化钛前躯体溶胶，所述的水热合成用二氧化钛前躯体溶胶由质量浓度为1.5％的钛酸四乙酯、质量浓度为12％的盐酸及余量为水组成。

2)将煅烧得到的二氧化钛电纺膜和配制好的水热合成用二氧化钛前躯体溶胶，加入到以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢容器内，其中二氧化钛前躯体溶胶与电纺膜的质量比为100∶1，将容器密封后放入烘箱内，在温度为120℃下加热18小时，进行水热合成。从烘箱内取出容器，冷却至室温，开启容器，从溶液中取出薄膜，去离子水冲洗干净后50℃下烘干，得到具有分级结构的二氧化钛薄膜材料，结果见图7。

实施例4

1)静电纺丝二氧化钛前躯体溶胶配制、静电纺丝及煅烧同实施例2；

2)配制水热合成用的二氧化钛前躯体溶胶，所述的水热合成用二氧化钛前躯体溶胶由质量浓度为2.5％的钛酸四丁酯、质量浓度为18％的盐酸及余量为水组成。

3)将煅烧得到的二氧化钛电纺膜和配制好的水热合成用二氧化钛前躯体溶胶，加入到聚四氟乙烯内衬的不锈钢容器内，其中二氧化钛前躯体溶胶与电纺膜的质量比为50∶1，将容器密封后放入烘箱内，在温度为90℃下加热8小时，进行水热合成。从烘箱内取出容器，冷却至室温，开启容器，从溶液中取出薄膜，去离子水冲洗干净后50℃下烘干，得到具有分级结构的二氧化钛薄膜材料，结果见图8。

Claims

1.一种具有分级结构的二氧化钛薄膜材料，其特征是：所述的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料是由静电纺丝法制得的二氧化钛纤维相互交织构成，其中二氧化钛纤维是由以锐钛矿型的二氧化钛线为中心和有序生长在二氧化钛线上的由水热合成法制备的金红石型的二氧化钛纳米棒组成。

2.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征是：所述的二氧化钛线的直径在0.2～2微米之间。

3.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征是：所述的二氧化钛纤维的直径为2～6微米。

4.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征是：所述的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料的厚度为20～100微米。

5.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征是：所述的二氧化钛纳米棒的直径为100～300nm、长度为1～3微米。

6.一种根据权利要求1～5任一项所述的薄膜材料的制备方法包括以下步骤：

1).配制静电纺丝用二氧化钛前驱体溶胶，所述的静电纺丝用二氧化钛前躯体溶胶由质量浓度为0.2～2％的聚乙烯吡咯烷酮、质量浓度为10～30％的醋酸，质量浓度为10～30％的钛酸酯或钛酸盐及余量为乙醇组成；

2).将步骤1)得到的二氧化钛前驱体溶胶加入到静电纺丝设备的给液装置中，使二氧化钛前驱体溶胶从静电纺丝设备的喷射装置中以二氧化钛前驱体线的形式喷出，在接收装置上获得二氧化钛前驱体线组成的薄膜；

3).将步骤2)得到的二氧化钛前驱体线组成的薄膜在马弗炉中煅烧，得到二氧化钛线组成的二氧化钛电纺膜；

5).将步骤4)得到的二氧化钛前躯体溶胶、步骤3)得到的二氧化钛电纺膜加入到容器内，其中二氧化钛前躯体溶胶与电纺膜的质量比为200∶1～10∶1，将容器密封后放入烘箱内，在温度为50～200℃下加热，进行水热合成，使二氧化钛纳米棒生长在二氧化钛电纺膜上，得到所述的具有分级结构的二氧化钛薄膜材料。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是：步骤3)所述的煅烧温度是500℃，煅烧时间是2小时。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是：步骤5)所述的在温度为50～200℃下加热时间是2～24小时。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征是：所述的钛酸酯为钛酸四丁酯、钛酸四乙酯或钛酸四丙酯；所述的钛酸盐是四氯化钛。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征是：所述的无机酸是盐酸、硫酸或硝酸。