CN102173450A - 二氧化钛薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二氧化钛薄膜的制备方法，具体涉及一种通过稳定的钛前驱体溶液制备成分和膜厚可控的二氧化钛薄膜，属于功能材料技术领域。本发明配制稳定的钛前驱体溶液，通过旋涂或浸渍提拉法在衬底上制备二氧化钛湿膜，最后干燥热处理得到二氧化钛薄膜。本发明涉及的前驱体溶液为水相中稳定的溶液，避免了有机溶剂的使用，并可在室温下长时间保存。本发明制备得到的二氧化钛薄膜具有锐钛矿相高温稳定性，在光催化和染料敏化太阳电池方面的应用展示了很好的性能。

Description

二氧化钛薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及二氧化钛薄膜的制备方法，具体涉及一种通过稳定的钛前驱体溶液制备成分和膜厚可控的二氧化钛薄膜，属于功能材料技术领域。

背景技术

随着环境污染和能源危机的日益严峻，以太阳能为代表的清洁能源受到了广泛的关注。太阳能的利用主要通过两个途径：光催化技术和太阳能电池。二氧化钛作为一种储量丰富而又环保的半导体材料在以上两个领域都有很好的应用：自1972年发现二氧化钛光电极表面持续产氢的现象以来(Fujishima，A.Honda，K.，Nature 238，37-38)，基于二氧化钛的半导体光催化技术受到了极大关注并取得了巨大的发展，它可以用于降解有机污染物、裂解水产氢、抗菌和防污等方面，是解决目前能源短缺和环境污染等问题的一个理想途径；1991年瑞士洛桑高等工业学院

教授报道了一种基于二氧化钛纳米晶的转换效率达7.1％的染料敏化太阳电池(O′Regan，B.

M.，Nature 1991，353：737-740.)，目前染料敏化太阳电池的单块小面积效率可达11％，亚模块(25cm²)的效率已超过8％，该技术有望突破硅基和薄膜太阳电池投资大、成本高的应用瓶颈，这也进一步拓展了二氧化钛的应用领域。

在光催化方面，二氧化钛粉体具有优异的光催化活性，特别是以P25为代表的一系列商品化二氧化钛纳米粉体，更是显示了优异的光催化性能，然而二氧化钛粉体回收困难，而且会对原体系造成二次污染，无法在循环***下重复利用，而且本征的二氧化钛只具有紫外光响应性，从而限制了它在诸多领域的应用。如何通过工艺简单而成本低廉的方法制备二氧化钛薄膜已经成为研究的热点。目前，已有大量的研究提出了二氧化钛薄膜的制备方法，比如金属钛膜氧化、电化学沉积、溶胶涂膜、四氯化钛水解沉积等。上述方法各有自己的优点，然而也存在着一些不足：不易于进行掺杂，衬底选择性小，制备工艺复杂，可控性不好，成本较高等。

在染料敏化太阳电池方面，电池结构主要分为纳米晶多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分。其工作原理为：染料分子吸收太阳光后从基态跃迁到激发态，激发态染料的电子注入到纳米半导体的导带中，随后传输至导电基底，经外回路转移至对电极，处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生，氧化态的电解质在对电极接受电子被还原，从而完成了电子输运的一个循环过程。在这些过程中，同时伴随着两个背反应：注入到半导体导带中的电子和氧化态染料或电解质中的电子受体的复合反应。如何强化电子输运过程的正反应，抑制电荷复合的背反应，是当前染料敏化太阳电池研究工作的一个重点。在导电基底表面生长一层致密的二氧化钛薄膜可以有效抑制背电流，目前在导电基底上生长致密二氧化钛薄膜的方法主要有四氯化钛水解沉积、钛醇盐溶胶涂膜及磁控溅射，而水解沉积和溶胶涂膜方法的可控性不好，并需要采用四氯化钛和钛醇盐这类不稳定试剂，磁控溅射等物理法的成本又太高。

综上所述，通过工艺简单而成本低廉的制备方法，合成性能优异的二氧化钛薄膜就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化钛薄膜的制备方法，以提高二氧化钛薄膜在光催化和染料敏化太阳电池领域的应用性。

下面详细描述本发明。

本发明的特征在于，配制稳定的钛前驱体溶液，通过旋涂或浸渍提拉法在衬底上制备二氧化钛湿膜，最后干燥热处理得到二氧化钛薄膜。

本发明进一步通过往钛前驱体溶液中加入掺杂离子溶液进行金属离子掺杂，从而得到金属离子掺杂的二氧化钛薄膜。

所述的配制稳定的钛前驱体溶液包括钛前驱物、碱溶液和过氧化氢中，钛前驱物∶碱溶液∶过氧化氢为摩尔比(0.1～100)∶1∶(0.1～10)。

其中碱溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化锂溶液、氢氧化铯溶液、氨水中任意一种或几种的混合溶液；

溶质采用单质钛、二氧化钛、氢氧化钛，正钛酸、偏钛酸、硝酸钛、硫酸钛、钛黄、卤化钛、羧酸钛或钛醇盐。

钛前驱物、碱溶液和过氧化氢搅拌得到钛前驱体溶液。

在所述的钛前驱体溶液中优选加入掺杂离子溶液，掺杂浓度范围在0.01～30％，充分搅拌，得到含有掺杂离子的钛前驱体溶液。

掺杂离子溶液包括掺杂离子前驱体溶液或金属盐溶液，包括Nb、Ta、Fe、Ni、Co、Mn的金属氢氧化物或可溶金属盐形成的掺杂离子前驱体溶液或金属盐溶液。

所述的金属盐包括可溶性硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、羧酸盐、草酸盐和卤化物。

所述的衬底包括普通玻璃，石英玻璃，硅衬底，各种金属、陶瓷、有机衬底，以及FTO、ITO、AZO、ZnO:B、ZnO:Ga、ZnO:In、Cd₂SnO₄、Zn₂SnO₄、TiO₂:Nb、SrTiO₃:Nb、CuS、CuAlO₂、CuAlS₂等透明导电玻璃。

所述热处理的条件为150～1000℃热处理1～24小时，得到二氧化钛薄膜。

本发明的有益效果在于，涉及的前驱体溶液为水相中稳定的溶液，避免了有机溶剂的使用，并可在室温下长时间保存；掺杂离子和钛存在于同一液相中，达到了分子级别的混合，易于实现均匀的掺杂；该制膜方法受衬底的限制小，可以在众多不同的衬底上生长；薄膜的厚度可以通过调节实验工艺参数很好的控制；得到的二氧化钛薄膜具有锐钛矿相高温稳定性，在光催化和染料敏化太阳电池方面的应用展示了很好的性能；另外，本发明采用的原料价廉，制备工艺简单易操作，易于实现工业化生产。

附图说明

图1为450℃热处理6小时(h)得到的未掺杂的二氧化钛薄膜的场发射扫描电镜(FE-SEM)图片，表明得到的二氧化钛薄膜致密而平整。

图2为600℃热处理6h得到的未掺杂和不同含量Fe掺杂的二氧化钛薄膜的UV-vis光谱，表明随着Fe掺杂量的增加，样品的吸收边发生红移，从而使掺杂的二氧化钛薄膜具有可见光响应性。

图3为600℃热处理6h得到的未掺杂和不同含量Fe掺杂的二氧化钛薄膜降解罗丹明B的曲线，表明未掺杂和低Fe掺杂含量的二氧化钛薄膜具有良好的光催化活性。

图4为450℃热处理3h得到的未掺杂和不同含量Ni掺杂的二氧化钛薄膜降解罗丹明B的曲线，表明未掺杂和低Ni掺杂含量的二氧化钛薄膜具有很好的光催化活性。

图5为用此方法在FTO导电玻璃上制备的二氧化钛薄膜、未处理的FTO以及经TiCl₄处理的FTO的透射光谱，表明利用此方法在FTO上生长二氧化钛薄膜对FTO的透光率影响很小，而比采用TiCl₄溶液处理的FTO的透光率要略高。

具体实施方式

下面介绍本发明的实施例，以进一步增加对本发明的了解，但本发明绝非限于实施例。

实施例1

取6g Ti(OH)₄加入到60ml氨水(25-28％)和过氧化氢(30％)的混合溶剂中(NH₃·H₂O∶H₂O₂＝1∶5)，充分搅拌得黄色钛前驱体溶液。在清洁的普通玻璃衬底上滴加上述钛前驱体溶液，采用旋涂法成膜，干燥后在450℃下热处理6小时(h)。经XRD测试，得到的二氧化钛薄膜为锐钛矿结构，其微观场发射扫描电镜(FE-SEM)图片如图1所示。

得到的二氧化钛薄膜用于紫外光降解罗丹明B实验，所用光源为500w高压汞灯，罗丹明B的浓度为10mg/L，经紫外光照射2h，罗丹明B降解率在85％以上，降解效率优于钛酸四丁酯溶胶涂膜后在相同热处理条件下得到的二氧化钛薄膜。

实施例2

取6g Ti(OH)₄三份分别加入到三份60ml氨水(25-28％)和过氧化氢(30％)的混合溶剂中(NH₃·H₂O∶H₂O₂＝1∶5)，充分搅拌得黄色钛前驱体溶液，往三份前驱体溶液中分别加入0.014g，0.143g和1.568g FeCl₃·6H₂O，得到Fe/Ti＝0.1、1.0和10.0mol％的混合液。在清洁的石英玻璃衬底上滴加上述混合前驱体溶液，采用旋涂法成膜，干燥后在600℃下热处理6h。经XRD测试，得到的二氧化钛薄膜均为锐钛矿结构，其UV-vis光谱如图2所示。

得到的二氧化钛薄膜用于紫外光降解罗丹明B实验，所用光源为500w高压汞灯，罗丹明B的浓度为10mg/L，经紫外光照射2h，所得的染料降解曲线如图3所示，表明未掺杂和低Fe掺杂含量的二氧化钛薄膜具有很好的光催化活性。

实施例3

取3g Ti(OH)₄三份分别加入到三份60ml氨水(25-28％)和过氧化氢(30％)的混合溶剂中(NH₃·H₂O∶H₂O₂＝1∶5)，充分搅拌得黄色钛前驱体溶液，往三份前驱体溶液中分别加入0.009g，0.095g和0.187g Ni(NO₃)₃·6H₂O，得到Ni/Ti＝0.1、1.0和2.0mol％的混合液。将清洁的石英玻璃衬底浸入上述混合前驱体溶液，采用浸渍提拉法成膜，干燥后在450℃下热处理3h。经XRD测试，得到的二氧化钛薄膜均为锐钛矿结构，经UV-vis光谱分析，随着Ni掺杂浓度的增加，样品的吸收边红移，显示出可见光光催化活性。

得到的二氧化钛薄膜在同样条件下进行光降解罗丹明B实验，经紫外光照射2h，所得的染料降解曲线如图4所示，同样表明低Ni掺杂含量的二氧化钛薄膜具有很好的光催化活性。

实施例4

取1g TiO₂加入到60ml氨水(25-28％)和过氧化氢(30％)的混合溶剂中(NH₃·H₂O∶H₂O₂＝1∶5)，充分搅拌得黄色钛前驱体溶液，往前驱体溶液中分别加入一定量的铌前驱体溶液，得到不同掺杂浓度的混合液。在清洁的石英玻璃衬底上滴加上述混合前驱体溶液，采用旋涂法成膜，干燥后在750℃下热处理2h。经XRD测试，得到的二氧化钛薄膜仍为锐钛矿结构，UV-vis测试表明Nb掺杂对二氧化钛薄膜的吸收谱影响很小，未观察到明显的红移现象。

得到的二氧化钛薄膜在同样条件下进行光降解罗丹明B实验，低Nb掺杂浓度下的二氧化钛薄膜同样具有很好的光催化活性。

实施例5

取3g Ti(OH)₄加入到60ml氨水(25-28％)和过氧化氢(30％)的混合溶剂中(NH₃·H₂O∶H₂O₂＝1∶5)，充分搅拌得黄色钛前驱体溶液。在清洁的FTO导电玻璃衬底上滴加上述钛前驱体溶液，采用旋涂法成膜，干燥后在300℃下热处理2h。对二氧化钛薄膜进行紫外可见透射光谱分析(见图5)，结果表明利用此方法在FTO上生长二氧化钛薄膜对FTO的透光率影响很小(可见光区域＞80％)，而比采用TiCl₄溶液处理的FTO的透光率要略高。

得到的二氧化钛薄膜用于组装染料敏化太阳电池并测试光电性能，电池光电转换效率可达7.0％，比未处理的和经TiCl₄处理的电池效率(分别为6.8％和4.9％)均有提高。

实施例6

取6ml钛酸四丁酯加入到60ml氨水(25-28％)和过氧化氢(30％)的混合溶剂中(NH₃·H₂O∶H₂O₂＝1∶5)，充分搅拌得黄色钛前驱体溶液。将清洁的PET有机衬底浸入上述钛前驱体溶液，采用浸渍提拉法成膜，干燥后在150℃下热处理12h。经XRD测试，得到的二氧化钛薄膜为非晶结构。

得到的二氧化钛薄膜在相同条件下进行光降解罗丹明B实验，经紫外光照射2h，罗丹明B降解率在60％以上。

实施例7

取6g偏钛酸加入到60ml氨水(25-28％)和过氧化氢(30％)的混合溶剂中(NH₃·H₂O∶H₂O₂＝1∶5)，充分搅拌得黄色钛前驱体溶液。在清洁的氧化铝陶瓷衬底上滴加上述钛前驱体溶液，采用旋涂法成膜，干燥后在1000℃下热处理6h。经XRD测试，得到的二氧化钛薄膜为金红石结构。

得到的二氧化钛薄膜在相同条件下进行光降解罗丹明B实验，同样具有较好的光催化活性。

Claims (10)

1.二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，配制稳定的钛前驱体溶液，通过旋涂或浸渍提拉法在衬底上制备二氧化钛湿膜，最后干燥热处理得到二氧化钛薄膜。

2.按权利要求1所述的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，钛前驱体溶液中加入掺杂离子溶液进行金属离子掺杂。

3.按权利要求1或2所述的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述的配制稳定的钛前驱体溶液包括钛前驱物、碱溶液和过氧化氢中，钛前驱物∶碱溶液∶过氧化氢为摩尔比(0.1～100)∶1∶(0.1～10)。

4.按权利要求3所述的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述的其中碱溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化锂溶液、氢氧化铯溶液、氨水中任意一种或几种的混合溶液。

5.按权利要求3所述的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述的钛前驱物采用单质钛、二氧化钛、氢氧化钛，正钛酸、偏钛酸、硝酸钛、硫酸钛、钛黄、卤化钛、羧酸钛或钛醇盐。

6.按权利要求1或2所述的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述的衬底包括普通玻璃，石英玻璃，硅衬底，各种金属、陶瓷、有机衬底，以及FTO、ITO、AZO、ZnO:B、ZnO:Ga、ZnO:In、Cd₂SnO₄、Zn₂SnO₄、TiO₂:Nb、SrTiO₃:Nb、CuS、CuAlO₂或CuAlS₂透明导电玻璃。

7.按权利要求1或2所述的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述热处理的条件为150～1000℃热处理1～24小时。

8.按权利要求2所述的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，掺杂离子浓度范围在0.01～30％。

9.按权利要求2或8所述的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，掺杂离子包括Nb、Ta、Fe、Ni、Co或Mn。

10.按权利要求2或8所述的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，掺杂离子溶液加入的金属盐包括可溶性硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、羧酸盐、草酸盐或卤化物。

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