CN102660765A - 一种多孔钛的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新的多孔钛的化学制备方法，以金属钛片为基底，经表面除污清洗处理后，在草酸溶液中处理一定时间，得到凹凸不平的钛片后在普通酸或盐、溶剂、腐蚀性酸组成的体系中采用电化学阴极刻蚀法在阴极2～40V电压下电解一段时间后，得到大小不一、孔径可控，钛表面颜色黑白可控的多孔钛网。本发明工艺简单、操作方便、设备要求低、条件易控，制得的多孔钛网性质稳定、厚度低、柔软，在光伏、光催化、电催化、医学等相关领域有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔钛的制备方法及其在光伏产业化中的应用，具体的说，涉及一种在草酸溶液中处理后再在由普通酸或盐、水、腐蚀性酸组成的电解液中进行阴极刻蚀得到多孔钛，将此钛网应用到太阳能电池的串并联组件的制备上取得了良好的效果。
背景技术
钛及钛合金具有低密度、高比强度、生物相容性好和抗腐蚀等优异的性能，在航空航天、生物医学等领域有重要的应用。在生物医学领域，钛能在人体体液中快速形成钝化膜，从而阻止钛向人体释放金属离子，将钛及钛合金做成具有多孔结构的生物植入材料，使其成为理想的人工骨修复材料已经引起了人们极大的兴趣。
阴极还原钛通常被用来修饰钛表面微观结构，根据不同制备方法能形成不同厚度氧化层，这能增加生物兼容性，促进钛植入物与周围组织的生长结合。阴极刻蚀在现实中普遍存在于原电池、电解池中，阴极刻蚀存在于大部分工业生产中，能造成不必要的金属损失。阴极刻蚀能够发生于大部分金属，阴极刻蚀一个金属电极能快速将金属溶解消散于此金属纳米粒子的悬浊液中。用这种方法能够制备出颗粒小、干净、催化性能好的纳米粒子，得到的产物可直接用于催化领域。钛由于容易形成钝化膜而不易受到腐蚀，但是，在有F-存在的情况下，其耐腐蚀性就会大大降低，能够被刻成多孔结构，甚至被销蚀至消失。
染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)作为新一代电池，以其低廉的成本和简单的工艺而广泛赢得人们的重视。但有限的电流电压影响了其产业化发展，串并联组件可增加电池的电流电压，从而解决这个不利因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、操作简便的多孔钛的制备方法。本发明是通过以下技术方案实现的：将预处理过的金属钛片放入草酸溶液中处理，再在由腐蚀性酸、普通酸或盐和溶剂组成的体系中进行阴极刻蚀，随后经过水洗干燥，即可制得多孔钛网。将此钛网应用于太阳能电池的串并联组件上已取得良好效果。
本发明提出的一种制备多孔钛的方法，其具体步骤如下：
(1)金属钛片的草酸溶液处理：将金属钛片首先用清洗剂、去离子水、无水乙醇分别超声洗涤5～20分钟后，用水洗后烘干，然后用浓度为5～20wt％的草酸溶液在80～100℃下恒温刻蚀0.5～20小时，然后用去离子水冲洗干净，烘干备用。
(2)电化学阴极刻蚀：将处理好的金属钛放入由腐蚀性酸、水和普通酸或盐以摩尔比为1∶a∶b(其中，a为5～300，b为0～30)组成的电解液中作为阴极，阳极材料不限，保持极间距为0.5～5cm，以0～10V/min的加压速率缓慢升压到0～100V，阴极刻蚀5～120分钟。或者通过调节电压或者酸的浓度来控制恒定电流密度为0-0.5A/cm2。
本发明以金属钛为基底，在腐蚀性酸，普通酸或盐和水体系中，经酸处理及阴极刻蚀制得了多孔钛网，通过控制电解时间和电解电压或者电流密度可以在金属钛表面得到不同厚度、孔径大小不同、表面颜色不同的多孔钛网。所制得的多孔钛网具有显著的介孔结构特征，比表面积大、性质稳定。
本发明工艺简单，操作方便，容易实现大规模生产，制得的多孔钛网可用于光伏产业、光催化、电催化及医学等多方面领域并具有很好的应用前景。
附图说明：
图1是实施例1、2、3制备的多孔钛的数码照片
图1a为实施例1、2、3制备多孔钛的以A4纸为背景的数码照片，图1b为实施例1、2、3制备多孔钛的以电脑屏幕为背景的数码照片，这显示了其具有多孔结构。
图2是实施例4制备的多孔钛的数码照片
图2a为实施例4制备多孔钛的以A4纸为背景的数码照片，图中显示表面为金属色，图2b为实施例4制备的多孔钛的以电脑屏幕为背景的数码照片，图中显示其具有多孔结构。
图3是实施例2制备的多孔钛的XRD图谱
图4是实施例2制备的多孔钛的SEM照片
图5是实施例2制备的多孔钛的FESEM照片
图6是实施例5制备的染料敏化太阳能电池的I-V曲线。
用实施例1制备的多孔钛网来制备双面对电极，两片玻璃光阳极组成的并联染料敏化太阳能电池的I-V曲线示意图，电池面积为0.4*0.4cm2。
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明做进一步说明，其目的仅在于更好的理解本发明的内容，但本发明的保护范围不受所举之例的限制。
实施例1
(1)将100um厚钛片裁剪成面积为1.4*1.9cm2的规格，分别用洗洁精、水、无水乙醇各超声清洗10min，用水冲洗烘干后，放入10w％的草酸水溶液中100℃处理3h，用水冲洗干净，烘干得到表面干净且微观不平的钛片。
(2)将上述处理过的钛片作为阴极，用面积为3*3.5cm2的钛片作阳极，两极钛片中心在垂直于两钛片的中心线上，且两极间距1cm。放入由HF，CH3COOH和H2O按体积比为 1∶5∶40组成的电解液中，5min内升压至20V，阴极刻蚀25min，用水冲洗干净烘干得到多孔钛网。
实施例2
(1)将100um厚钛片裁剪成面积为4.5*4.5cm2的规格，分别用洗洁精、水、无水乙醇各超声清洗10min，用水冲洗烘干后，放入10w％的草酸水溶液中100℃处理3h，用水冲洗干净，烘干得到表面干净且微观不平的钛片。
(2)将上述处理过的钛片作为阴极，用面积为5*5cm2的钛片做阳极，两极中心对齐且钛片平行间距为1cm。放入初始由HF，CH3COOH和H2O按体积比为1∶15∶100组成的电解液中，通过不断改变电压、少量不断添加HF，控制电流恒定在0.5A，阴极刻蚀50min。冲洗干净烘干得到多孔钛网。
实施例3
(1)将100um厚钛片裁剪成面积为4.5*4.5cm2的规格，分别用洗洁精、水、无水乙醇各超声清洗10min，用水冲洗干净烘干后，放入15w％的草酸水溶液中100℃处理5h，用水冲洗干净，烘干得到表面干净且微观不平的钛片。
(2)上述处理过的钛片作为阴极，用面积为5*5cm2的钛片做阳极，两极中心对齐且钛片平行间距为1cm。放入由HF，CH3COOH和H2O按体积比为1∶10∶80组成的电解液中，以2V/min升压速率升压至20V，阴极刻蚀100min，用水冲洗干净，烘干得到对应的多孔钛网。
实施例4
(1)将100um厚钛片裁剪成面积为2*2cm2的规格，分别用洗洁精、水、无水乙醇各超声清洗10min，用水冲洗干净烘干后，放入15w％的草酸水溶液中100℃处理5h，用水冲洗干净，烘干得到表面干净且微观不平的钛片。
(2)上述处理过的钛片作为阴极，用面积为3*3cm2的钛片做阳极，两极中心对齐且钛片平行间距为1cm。放入由HF，CH3COOH和H2O按体积比为1∶10∶80组成的电解液中，施加电压为0v，阴极刻蚀90min，用水冲洗干净，烘干得到对应的多孔钛网。
实施例5
(1)将两片导电玻璃用40mM的TiCl4水溶液70℃下浸泡30min，后用去离子水和无水乙醇分别冲洗1次，烘干备用。
(2)用实验室自制的二氧化钛粉末与乙基纤维素、松油醇以质量比为20∶7∶73配制研磨成浆料，用丝网印刷法分别在两片玻璃导电面印刷上面积为0.16cm2的二氧化钛浆料，烘干。450℃烧结30min。用40mM TiCl4溶液70℃处理30min后，再450℃烧结30min。
(3)在80℃取出后直接浸入300mM的N719染料中，黑暗条件下保持24h。取出后用乙醇冲洗干净，烘干，备用。
(4)将实施例3制备的多孔钛网两面用丝网印刷法分别涂覆上两层氯铂酸松油醇溶液，400℃烧结20min。得到双面对电极。
(5)将两片玻璃光阳极与双面多孔钛对电极组装成三明治式并联太阳能电池，测得I-V曲线如图5。
Claims (8)
1.一种多孔钛的制备方法，其特征在于，将钛片经过前期处理，再用酸溶液在一定温度下处理一定时间，将处理过的钛片做阴极，阳极材料不限，在由酸、水、酸或盐以一定比例配成的电解液中在一定电压或电流条件下电解5～120分钟，即可得到孔径大小、表面颜色黑白可控的多孔钛网。
2.如权利要求1所述的一种多孔钛的制备方法，其特征在于，电解液是由酸，水，酸或盐按照摩尔比为1∶a∶b配制而成，其中，a为5～500，b为0～30。
3.如权利要求2所述的电解液，其特征在于，酸可以是氢氟酸或其他具有腐蚀性有机酸或者无机酸，酸或盐是指可增加电解液导电性的普通酸或盐，例如：醋酸、草酸、盐酸、磷酸、氯化钠、硫酸钠等。
4.如权利要求1所述的一种多孔钛的制备方法，所说的孔径大小、表面颜色黑白可控是指通过适度控制权利要求2中的a、b值、电流密度大小、电解时间和施加电压中的一项或几项而得到实现。
5.如权利要求1所述的一种多孔钛的制备方法，其特征在于，加压速率为0～10V/min，电解电压为0～60V，电解过程中电极的间距须保持为0.5～10cm；或者控制电流密度为0～0.5A/cm2。
6.如权利要求1所述的一种多孔钛的制备方法，其特征在于，所述的钛片前期处理是指，金属钛片经过清洗剂、去离子水、乙醇分别超声洗涤5～20分钟后，烘干。
7.如权利要求1所述的一种多孔钛的制备方法，其特征在于，所述的用草酸溶液前处理钛片，其中所用草酸溶液浓度为5～20wt％，溶剂为水或乙醇或其他有机溶剂；处理时草酸溶液需保温在40～100℃，处理时间为0.5～20小时。
8.权利要求1～7所述方法制备的多孔钛，由于其具有多孔结构，光(液体)透过性好和导电性能好，非常适合制备电极材料：如光伏电极，锂离子电池电极，燃料电池电极，工业电解电极等；也可应用于医学领域人工骨，牙齿种植体材料，多孔钛也可以应用于膜分离或者膜反应器领域；在诸多应用领域中，此多孔钛尤其适用于柔性染料敏化太阳能电池的串并联结构组装。
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