CN103409781B - 一种基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法 - Google Patents

一种基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，该方法包括以下步骤：选择相同尺寸的铋片、铂片作为阳极、阴极，用不同目数的砂纸打磨铋片，抛光膏抛光后，依次用乙醇、丙酮清洗除油，备用；制备含钛的浓度为0.01～0.10mol/L的电解液；将铋片与铂片之间保持1～3cm距离，垂直浸入电解液2～4cm，开启磁力搅拌，通以恒定电流1～5A保持5～10min；铋片表面持续有电火花出现，同时伴有沉积层生成，将带有沉积层的铋片用去离子水洗涤，而后在60℃干燥2h，得到钛酸铋膜层。本发明的合成条件温和，在常温常压条件可以完成；反应速度快；操作步骤简单；所用铋为绿色原料，工艺过程安全，无有害物质泄漏与排出，有利于对环境的保护。

Description

一种基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法
技术领域
本发明属于电化学制备技术领域，尤其涉及一种基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法。
背景技术
钛酸铋化合物是一类环境友好型功能材料，由TiO2和Bi2O3复合形成，包括Bi4Ti3O12、Bi2Ti2O7、Bi12TiO20、Bi20TiO32等晶相，作为其中的一员，Bi12TiO20带隙能较小，属于宽带半导体，具有优良的光电、荧光、磁光、旋光以及压电性质，其薄膜材料在光电领域尤其是光催化材料领域应用前景广阔；
目前钛酸铋膜层的制备方法主要有以下2种：
(1)原子层沉积技术(ALD)
该技术对设备要求高，属于物理沉积方法，参见：(J.Harjuoja，S.Vayrynen，M.Putkonen.Crystallization of bismuth titanate and bismuth silicate grown as thinfilms by atomic layer deposition，J.Cryst.Growth，2006，286：376-383)；
(2)化学溶液分解法(CSD)
该法与溶胶-凝胶法(sol-gel)、金属有机物分解法(MOD)、水热法沉积等，属于化学溶液沉积技术。sol-gel、MOD、水热/溶剂热主要用作粉体的制备，并且sol-gel和MOD需要高温退火处理，水热/溶剂热虽然能够有效降低合成温度(180-230℃)，但是反应周期长(4-12h)，对生产设备的依赖性较强，目前尚无用于制备钛酸铋膜层的文献报道。周爱萍对sol-gel、MOD技术加以改进，提出了化学溶液分解法，用于Bi12TiO20薄膜的制备，使用的原料为金属无机盐和有机化合物配合使用，不需要发生水解缩聚反应形成前驱体溶液；制备过程包括前躯体溶液的配制、旋涂法制膜、高温退火处理等；CSD法制备膜层时，制备原料、前躯体溶液浓度、匀胶速度、退火条件等都将影响到膜层的质量，从而影响膜层的性能。
现有的制备钛酸铋膜层技术生产成本高，制备过程繁琐，合成时间长，并且中间产物如果不加以处理会对环境带来不利影响，不利于推广应用。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，旨在解决现有的制备钛酸铋膜层技术生产成本高，制备过程繁琐，并且中间产物如果不加以处理会对环境带来不利影响，不利于推广应用的问题，以便降低合成温度、缩短反应时间、简化合成工艺。
本发明实施例是这样实现的，一种基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，该基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法包括以下步骤：
步骤一，选择相同尺寸的铋片、铂片作为阳极、阴极，用不同目数的砂纸打磨铋片，抛光膏抛光后，依次用乙醇、丙酮清洗除油，备用；
步骤二，制备含钛的浓度为0.01～0.10mol/L的电解液；
步骤三，将铋片与铂片之间保持1～3cm距离，垂直浸入电解液2～4cm，开启磁力搅拌，通以恒定电流1～5A保持5～10min；
步骤四，铋片表面持续有电火花出现，同时伴有沉积层生成，将带有沉积层的铋片用去离子水洗涤，而后在60℃干燥2h，得到钛酸铋膜层。
进一步，步骤二中，电解液制备具体方法为：称取6gKOH溶于150ml去离子水中，将所得溶液移入电解池，滴加6ml浓度为30％的H2O2，最后加入0.9g固体Ti(SO4)2，磁力搅拌5min，得到浅黄色的电解液，电解液中Ti浓度为0.025mol/L。
进一步，所用电解池为双层玻璃瓶，外层可根据需要通冷凝水，钛源为硫酸钛或四氯化钛，均为无机钛源，所用试剂均为无机物。
进一步，该基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法的钛源为硫酸钛、四氯化钛。
进一步，在步骤四中，钛酸铋膜层的生成所需能量由铋片表面微区的电火花提供。
进一步，该基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法的铋源为金属Bi或Bi-Ti合金，形状可以是箔、片、板、管。
本发明提供的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，电解液的组成均为无机物，避免了有机溶剂的使用，无有害物质泄漏与排出，有利于对环境的保护；配制过程简单，只是简单的溶解过程；所用电解池为双层玻璃瓶，可根据制备需要灵活决定是否需要对反应体系进行降温处理；钛酸铋膜层生成所需能量，来源于电化学过程中铋片表面微区的电火花，完全满足钛酸铋生成要求；本发明可以实现室温条件下合成钛酸铋。此外，本发明合成条件温和，反应速度快，合成设备简单，操作步骤简便；所用铋为绿色原料，工艺过程安全，无有害物质泄漏与排出。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明提供的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法流程。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。
本发明实施例提供的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，该基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法包括以下步骤：
步骤一，选择相同尺寸的铋片、铂片作为阳极、阴极，依次用600目、800目、1000目、1500目、2000目的砂纸打磨铋片，抛光膏抛光后，依次用乙醇、丙酮清洗除油，备用；
步骤二，制备含钛的浓度为0.01～0.10mol/L的电解液；
步骤三，将铋片与铂片之间保持1～3cm距离，垂直浸入电解液2～4cm，开启磁力搅拌，通以恒定电流1～5A保持5～10min；
步骤四，铋片表面持续有电火花出现，同时伴有沉积层生成，将带有沉积层的铋片用去离子水洗涤，而后在60℃干燥2h，得到钛酸铋膜层。
作为本发明实施例的一优化方案，步骤二中，电解液制备具体方法为：称取6g KOH溶于150ml去离子水中，将所得溶液移入电解池，滴加6ml浓度为30％的H2O2，最后加入0.9g固体Ti(SO4)2，磁力搅拌5min，得到浅黄色的电解液，电解液中Ti浓度为0.025mol/L。
作为本发明实施例的一优化方案，所用电解池为双层玻璃瓶，外层可根据需要通冷凝水，钛源为硫酸钛或四氯化钛，均为无机钛源，所用试剂均为无机物。
作为本发明实施例的一优化方案，该基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法的钛源为硫酸钛、四氯化钛。
作为本发明实施例的一优化方案，在步骤四中，钛酸铋膜层的生成所需能量来源于铋片表面微区的电火花。
作为本发明实施例的一优化方案，该基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法的铋源为金属Bi或Bi-Ti合金，形状可以是箔、片、板、管。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法包括以下步骤：
S101：选择相同尺寸的铋片、铂片作为阳极、阴极。用不同目数的砂纸打磨铋片，抛光膏抛光后，依次用乙醇、丙酮清洗除油，备用；
S102：制备含钛的浓度为0.01～0.10mol/L的电解液；
S103：将铋片与铂片之间保持1～3cm距离，垂直浸入电解液2～4cm，开启磁力搅拌，通以恒定电流1-5A保持5～10min；
S104：铋片表面持续有电火花出现，同时伴有沉积层生成，将带有沉积层的铋片用去离子水洗涤，而后在60℃干燥2h，得到钛酸铋膜层。
本发明的具体制作步骤为：
步骤一，将铋片切割成4cm×1cm大小，用去离子水清洗其表面，分别用800目、1000目、1500目、2000目砂纸打磨铋片，抛光膏抛光后，分别在乙醇、丙酮中超声清洗10min，除去表面的有机物，最后再用去离子水超声清洗，备用；
产物钛酸铋中的铋来源于铋片的阳极氧化，简单易行；根据所制膜层的大小要求，可选择不同尺寸规格的铋材，如铋片、铋管、铋板等；
步骤二电解液的制备：称取6g KOH溶于150ml去离子水中，将所得溶液移入电解池，滴加6ml浓度为30％的H2O2，最后加入0.9g固体Ti(SO4)2，磁力搅拌5min，得到浅黄色的电解液。
步骤三，用步骤一所得铋片作阳极，以同样尺寸的铂片作阴极。两电极之间保持2cm距离，垂直浸入电解液中2cm的深度，开启磁力搅拌并开通循环水冷凝，而后在两电极间施加恒定电流5A，维持5min的反应时间。铋片表面持续有电火花出现，同时伴有沉积层生成，将带有沉积层的铋片用去离子水洗涤，而后在60℃干燥2h，得到钛酸铋膜层。
本发明利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、UV-VIS光谱测试等技术，表征所得钛酸铋的物理性质。所制备的钛酸铋膜层具有良好的紫外-可见光吸收性能。
本发明的产物Bi12TiO20中的铋来源于铋片的阳极氧化，因此可灵活选用各种尺寸、规格和形状的铋材，仅需打磨、抛光、清洗等前处理过程；电解液的组成均为无机物，避免了有机溶剂的使用，无有害物质泄漏与排出，对环境压力小；配制过程简单，只是简单的溶解过程；所用电解池为双层玻璃瓶，可根据制备需要灵活决定是否需要对反应体系进行降温处理；电化学技术仅需一台普通电源，钛酸铋膜层生成所需能量，来源于电化学过程中铋片表面微区的电火花，完全满足钛酸铋生成要求；在通循环水的情况下反应过程中电解液可保持在室温。因此本发明可以实现室温条件下合成钛酸铋。
本发明中的铋源为金属Bi，也可以是Bi-Ti合金，其形状可以是箔、片、板、管等；本发明中钛源为硫酸钛、四氯化钛等无机物；本发明中电源是一台普通直流电源。
本发明合成条件温和，在常温常压条件可以完成操作；反应速度快，在数分钟内即可完成合成；合成设备简单，操作步骤简便；所用铋为绿色原料，工艺过程安全，无有害物质泄漏与排出，对环境压力小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，其特征在于，该基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法包括以下步骤：
步骤一，选择相同尺寸的铋片、铂片作为阳极、阴极，用不同目数的砂纸打磨铋片，抛光膏抛光后，依次用乙醇、丙酮清洗除油，备用；
步骤二，制备含钛的浓度为0.01～0.10mol/L的电解液；
步骤三，将铋片与铂片之间保持1～3cm距离，垂直浸入电解液2～4cm，开启磁力搅拌，通以恒定电流1-5A保持5～10min；
步骤四，铋片表面持续有电火花出现，同时伴有沉积层生成，将带有沉积层的铋片用去离子水洗涤，而后在60℃干燥2h，得到钛酸铋膜层。
2.如权利要求1所述的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，其特征在于，在步骤二中，电解液制备具体方法为：称取6gKOH溶于150ml去离子水中，将所得溶液移入电解池，滴加6ml浓度为30％的H202，最后加入0.9g固体Ti(SO4)2，磁力搅拌5min，得到浅黄色的电解液，电解液中Ti浓度为0.025mol/L。
3.如权利要求2所述的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，其特征在于，所用电解池为双层玻璃瓶，外层可根据需要通冷凝水，所用试剂均为无机物。
4.如权利要求1所述的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，其特征在于，该基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法的钛源为硫酸钛、四氯化钛。
5.如权利要求1所述的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，其特征在于，在步骤四中，钛酸铋膜层的生成所需能量来源于铋片表面微区的电火花。
6.如权利要求1所述的基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法，其特征在于，该基于微弧氧化技术制备钛酸铋膜层的方法的铋源为金属Bi或Bi-Ti合金，形状是箔、片、板或管。
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