CN1208127C - 一种制备纳米二氧化钛薄膜的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种制备纳米二氧化钛薄膜的方法及其装置。具体是在空气中通电加热金属钛片(丝)，控制加热温度、时间和电流，使其表面氧化成纳米二氧化钛薄膜。本发明操作工艺简单、设备价格低廉，而制得的薄膜的光催化性能良好，可用于太阳能光电转换、污水处理、空气净化等领域。
Description
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体为一种制备具有光催化活性的纳米二氧化钛薄膜的方法。
背景技术
从1972年发现二氧化钛在紫外光照射下将水分解成氢和氧气以来，二氧化钛在材料领域受到了非常广泛的重视。TiO2可用于光催化降解有机物、杀菌消毒、污水处理、空气净化等多个方面，目前，纳米TiO2的研究已成为新材料开发的一个非常活跃的课题。
已经报道的TiO2薄膜制备方法很多，例如反应磁控溅射、溶胶-凝胶方法、化学气相沉积方法等，这些方法各有其优缺点。如用直流反应磁控溅射等物理法在玻璃表面沉积TiO2薄膜，得到的自清洁玻璃具有良好的透明性、较强的光催化性能和光致超亲水性，薄膜均匀、厚度可控，但必须真空系统，设备价格昂贵，另外溅射速率也是制约其广泛应用的瓶颈之一；应用溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜具有纯度高、反应条件易于控制等优点，但需要在较高温度下进行烘烤；而化学气相沉积法在制备大面积薄膜时尚存在一定的难度。通过电化学沉积技术也可在导电的基片上制备TiO2薄膜。在马福炉中加热氧化金属钛片或者通过高电压下在H2SO4溶液中金属钛片阳极氧化也可在其表面形成TiO2薄膜，最近有报道应用火焰加热氧化金属钛片得到的TiO2薄膜具有良好的光分解水的性能。二氧化钛薄膜制备工艺的研究是纳米TiO2应用的基础和前提。
发明内容
本发明的目的在于提出一种所用设备价格便宜、操作工艺比较简单的制备纳米二氧化钛薄膜新方法及其装置，由此制备的薄膜具有良好的光催化分解性能。
本发明提出的制备纳米二氧化钛薄膜的方法，是将金属钛片或金属钛丝直接在空气中通电加热，使表面的钛氧化成纳米二氧化钛(TiO2)薄膜；其加热的温度范围为700～1000℃，时间为10～60分钟。
上述方法中，由于金属钛片(丝)的电阻与其尺寸密切相关，所以一般控制通过的电流大小为使发热功率处于3.8-20W之间。金属钛的电阻率一般取47.8Ω·cm，电阻按室温下计。例如，金属钛片的尺寸为1×5cm，厚度为0.25cm，则控制电流约为20-30A。又如金属钛丝的尺寸为30cm，直径为0.4mm，则控制电流约为2-4A。
对应于上述制备工艺，本发明所使用的装置如下：由变压器、调压器、电流表、电压表经电路连接组成，其中，调压器4与变压器3相连，调节变压器的输入电压，电流表A、样品5(金属钛片或金属钛丝)串联于调压器4两端，电压表V与样品5并联。结构见图1所示。变压器1接220伏市电。
实验表明，由本发明提出的新工艺制备的纳米二氧化钛薄膜具有典型的n型半导体的特征和良好的光催化性能。
1.在光(254nm)照射下，以新工艺制备的TiO2薄膜表现出明显的阳极光电流，光电流密度约为50μA.cm-2，如图3所示，说明由该新工艺制备的纳米TiO2薄膜具有典型的n型半导体的特征，可在太阳能光电转换中得到应用。
2.在功率密度约为200μW/cm2，波长为254nm的紫外光下照射，以本发明提出的新工艺制备的TiO2薄膜对染料亚甲基蓝表现出良好的光催化分解性能，如图4所示，反应速率常数约为5×10-3min-1。本发明提出的新工艺制备的TiO2薄膜可应用于光催化污水处理以及空气净化方面。
3.薄膜的XRD测试表明，以本工艺制备的TiO2薄膜结构为金红石晶型，如图5所示。根据谢乐公式计算出相应的晶粒尺寸约在23.4～41.9nm之间。
附图说明
图1通电加热金属钛片(丝)制备TiO2薄膜装置示意图。
图2TiO2薄膜的结构示意图，1为TiO2薄膜；2为Ti基底。
图3通电制备TiO2薄膜的光电流测定(金属钛片，20A，氧化时间30min)。
图4光催化降解亚甲基蓝实验，(a)为亚甲基蓝降解过程的可见光谱；(b)为亚甲基蓝降解过程的可见光谱663.2nm处的ln(A0/At)～t关系图(金属钛丝，9.5V氧化时间30min)。
图5在钛片表面制备的TiO2薄膜的XRD谱(金属钛片，30A，氧化时间30min)。
图6在钛片表面制备的TiO2薄膜的SEM谱(金属钛片，30A，氧化时间10min)。
具体实施方式
实施例1：将1×5的金属钛片(厚度为0.25mm)固定在调压器的输出端，调节变压器的输入电压，可以调节流过金属钛片的电流。当电流为20A，这时金属钛片两端的电压约为1.0V，这样对金属钛片加热氧化得到TiO2薄膜。加热的温度由光学测温仪测定约为750℃，通电时间30min得到的TiO2薄膜的光电流密度约为50μA.cm-2，如图3所示。
实施例2：将1×5的金属钛片(厚度为0.25mm)固定在调压器的输出端，调节流过金属钛片的电流为30A，这时金属钛片两端的电压为1.4V，加热的温度约为800℃，通电时间30min后得到的TiO2薄膜的XRD谱为图5所示；通电时间10min得到的TiO2薄膜的SEM谱为图6所示。
实施例3：直径为0.4mm的金属钛丝，长度为30cm，固定在调压器的输出端，当金属钛丝两端的电压为9.5V，电流为2.8A，通电时间30min后得到的TiO2薄膜光催化分解亚甲基蓝的速率常数为5.21×10-3min-1(图4)。
实施例4：将1×5的金属钛片(厚度为0.25mm)固定在调压器的输出端，调节流过金属钛片的电流为30A，这时金属钛片两端的电压为1.4V，加热的温度约为800℃，通电时间60min后得到TiO2薄膜光催化分解亚甲基蓝的速率常数为1.29×10-3min-1。
Claims (3)
1、一种制备纳米二氧化钛薄膜的方法，其特征在于将金属钛片或金属钛丝直接在空气中通电加热，使表面的钛氧化成纳米二氧化钛(TiO2)薄膜；其加热的温度范围为700～1000℃，时间为10～60分钟。
2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于控制通过的电流大小为使发热功率处于3.8-20W之间。
3、一种制备纳米二氧化钛薄膜的装置，其特征在于由变压器、调压器、电流表、电压表经电路连接组成，其中，调压器(4)与变压器(3)相连，调节变压器的输入电压，电流表A、金属钛片或金属钛丝(5)串联于调压器(4)两端，电压表V与金属钛片或金属钛丝(5)并联。
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