專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多孔鈦的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種多孔鈦的制備方法及其在光伏產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用，具體的說(shuō)，涉及一種在草酸溶液中處理后再在由普通酸或鹽、水、腐蝕性酸組成的電解液中進(jìn)行陰極刻蝕得到多孔鈦，將此鈦網(wǎng)應(yīng)用到太陽(yáng)能電池的串并聯(lián)組件的制備上取得了良好的效果。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、生物相容性好和抗腐蝕等優(yōu)異的性能，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鈦能在人體體液中快速形成鈍化膜，從而阻止鈦向人體釋放金屬離子，將鈦及鈦合金做成具有多孔結(jié)構(gòu)的生物植入材料，使其成為理想的人工骨修復(fù)材料已經(jīng)引起了人們極大的興趣。陰極還原鈦通常被用來(lái)修飾鈦表面微觀結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同制備方法能形成不同厚度 氧化層，這能増加生物兼容性，促進(jìn)鈦植入物與周?chē)M織的生長(zhǎng)結(jié)合。陰極刻蝕在現(xiàn)實(shí)中普遍存在于原電池、電解池中，陰極刻蝕存在于大部分エ業(yè)生產(chǎn)中，能造成不必要的金屬損失。陰極刻蝕能夠發(fā)生于大部分金屬，陰極刻蝕ー個(gè)金屬電極能快速將金屬溶解消散于此金屬納米粒子的懸濁液中。用這種方法能夠制備出顆粒小、干凈、催化性能好的納米粒子，得到的產(chǎn)物可直接用于催化領(lǐng)域。鈦由于容易形成鈍化膜而不易受到腐蝕，但是，在有F-存在的情況下，其耐腐蝕性就會(huì)大大降低，能夠被刻成多孔結(jié)構(gòu)，甚至被銷(xiāo)蝕至消失。染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池(DSSC)作為新一代電池，以其低廉的成本和簡(jiǎn)單的エ藝而廣泛贏得人們的重視。但有限的電流電壓影響了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，串并聯(lián)組件可増加電池的電流電壓，從而解決這個(gè)不利因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種エ藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便的多孔鈦的制備方法。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的將預(yù)處理過(guò)的金屬鈦片放入草酸溶液中處理，再在由腐蝕性酸、普通酸或鹽和溶劑組成的體系中進(jìn)行陰極刻蝕，隨后經(jīng)過(guò)水洗干燥，即可制得多孔鈦網(wǎng)。將此鈦網(wǎng)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的串并聯(lián)組件上已取得良好效果。本發(fā)明提出的一種制備多孔鈦的方法，其具體步驟如下(I)金屬鈦片的草酸溶液處理將金屬鈦片首先用清洗劑、去離子水、無(wú)水こ醇分別超聲洗滌5 20分鐘后,用水洗后烘干,然后用濃度為5 20wt%的草酸溶液在80 100°C下恒溫刻蝕O. 5 20小時(shí)，然后用去離子水沖洗干凈，烘干備用。(2)電化學(xué)陰極刻蝕將處理好的金屬鈦放入由腐蝕性酸、水和普通酸或鹽以摩爾比為I : a b(其中，a為5 300，b為O 30)組成的電解液中作為陰極，陽(yáng)極材料不限，保持極間距為O. 5 5cm，以O(shè) 10V/min的加壓速率緩慢升壓到O 100V，陰極刻蝕5 120分鐘?；蛘咄ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)電壓或者酸的濃度來(lái)控制恒定電流密度為0-0. 5A/cm2。本發(fā)明以金屬鈦為基底，在腐蝕性酸，普通酸或鹽和水體系中，經(jīng)酸處理及陰極刻蝕制得了多孔鈦網(wǎng)，通過(guò)控制電解時(shí)間和電解電壓或者電流密度可以在金屬鈦表面得到不同厚度、孔徑大小不同、表面顔色不同的多孔鈦網(wǎng)。所制得的多孔鈦網(wǎng)具有顯著的介孔結(jié)構(gòu)特征，比表面積大、性質(zhì)穩(wěn)定。本發(fā)明エ藝簡(jiǎn)單，操作方便，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，制得的多孔鈦網(wǎng)可用于光伏產(chǎn)業(yè)、光催化、電催化及醫(yī)學(xué)等多方面領(lǐng)域并具有很好的應(yīng)用前景。


圖I是實(shí)施例1、2、3制備的多孔鈦的數(shù)碼照片圖Ia為實(shí)施例1、2、3制備多孔鈦的以A4紙為背景的數(shù)碼照片，圖Ib為實(shí)施例I、 2、3制備多孔鈦的以電腦屏幕為背景的數(shù)碼照片，這顯示了其具有多孔結(jié)構(gòu)。圖2是實(shí)施例4制備的多孔鈦的數(shù)碼照片
圖2a為實(shí)施例4制備多孔鈦的以A4紙為背景的數(shù)碼照片，圖中顯示表面為金屬色，圖2b為實(shí)施例4制備的多孔鈦的以電腦屏幕為背景的數(shù)碼照片，圖中顯示其具有多孔結(jié)構(gòu)。圖3是實(shí)施例2制備的多孔鈦的XRD圖譜圖4是實(shí)施例2制備的多孔鈦的SEM照片圖5是實(shí)施例2制備的多孔鈦的FESEM照片圖6是實(shí)施例5制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的I-V曲線。用實(shí)施例I制備的多孔鈦網(wǎng)來(lái)制備雙面對(duì)電極，兩片玻璃光陽(yáng)極組成的并聯(lián)染料敏化太陽(yáng)能電池的I-V曲線示意圖，電池面積為O. 4*0. 4cm2。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說(shuō)明，其目的僅在于更好的理解本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不受所舉之例的限制。實(shí)施例I(I)將IOOum厚鈦片裁剪成面積為I. 4*1. 9cm2的規(guī)格，分別用洗潔精、水、無(wú)水こ醇各超聲清洗lOmin，用水沖洗烘干后，放入10w%的草酸水溶液中100°C處理3h，用水沖洗干凈，烘干得到表面干凈且微觀不平的鈦片。(2)將上述處理過(guò)的鈦片作為陰極，用面積為3*3. 5cm2的鈦片作陽(yáng)極，兩極鈦片中心在垂直于兩鈦片的中心線上，且兩極間距1cm。放入由HF，CH3COOH和H2O按體積比為1:5: 40組成的電解液中，5min內(nèi)升壓至20V，陰極刻蝕25min，用水沖洗干凈烘干得到多孔欽網(wǎng)。實(shí)施例2(I)將IOOum厚鈦片裁剪成面積為4. 5*4. 5cm2的規(guī)格，分別用洗潔精、水、無(wú)水こ醇各超聲清洗lOmin，用水沖洗烘干后，放入10w%的草酸水溶液中100°C處理3h，用水沖洗干凈，烘干得到表面干凈且微觀不平的鈦片。(2)將上述處理過(guò)的鈦片作為陰極，用面積為5*5cm2的鈦片做陽(yáng)極，兩極中心對(duì)齊且鈦片平行間距為lcm。放入初始由HF，CH3COOH和H2O按體積比為I : 15 100組成的電解液中，通過(guò)不斷改變電壓、少量不斷添加HF，控制電流恒定在O. 5A，陰極刻蝕50min。沖洗干凈烘干得到多孔鈦網(wǎng)。實(shí)施例3
(I)將IOOum厚鈦片裁剪成面積為4. 5*4. 5cm2的規(guī)格，分別用洗潔精、水、無(wú)水こ醇各超聲清洗lOmin，用水沖洗干凈烘干后，放入15w%的草酸水溶液中100°C處理5h，用水沖洗干凈，烘干得到表面干凈且微觀不平的鈦片。(2)上述處理過(guò)的鈦片作為陰極，用面積為5*5cm2的鈦片做陽(yáng)極，兩極中心對(duì)齊且鈦片平行間距為lcm。放入由HF，CH3COOH和H2O按體積比為I : 10 : 80組成的電解液中，以2V/min升壓速率升壓至20V，陰極刻蝕lOOmin，用水沖洗干凈，烘干得到對(duì)應(yīng)的多孔鈦網(wǎng)。實(shí)施例4(I)將IOOum厚鈦片裁剪成面積為2*2cm2的規(guī)格，分別用洗潔精、水、無(wú)水こ醇各超聲清洗lOmin，用水沖洗干凈烘干后，放入15w%的草酸水溶液中100°C處理5h，用水沖洗 干凈，烘干得到表面干凈且微觀不平的鈦片。(2)上述處理過(guò)的鈦片作為陰極，用面積為3*3cm2的鈦片做陽(yáng)極，兩極中心對(duì)齊且鈦片平行間距為lcm。放入由HF，CH3COOH和H2O按體積比為I : 10 80組成的電解液中，施加電壓為Ov，陰極刻蝕90min，用水沖洗干凈，烘干得到對(duì)應(yīng)的多孔鈦網(wǎng)。實(shí)施例5(I)將兩片導(dǎo)電玻璃用40mM的TiCl4水溶液70°C下浸泡30min，后用去離子水和無(wú)水こ醇分別沖洗I次，烘干備用。(2)用實(shí)驗(yàn)室自制的ニ氧化鈦粉末與こ基纖維素、松油醇以質(zhì)量比為20 7 73配制研磨成漿料，用絲網(wǎng)印刷法分別在兩片玻璃導(dǎo)電面印刷上面積為O. 16cm2的ニ氧化鈦漿料，烘干。450°C燒結(jié)30min。用40mM TiCl4溶液70°C處理30min后，再450°C燒結(jié)30min。(3)在80°C取出后直接浸入300mM的N719染料中，黑暗條件下保持24h。取出后用こ醇沖洗干凈，烘干，備用。(4)將實(shí)施例3制備的多孔鈦網(wǎng)兩面用絲網(wǎng)印刷法分別涂覆上兩層氯鉬酸松油醇溶液，400°C燒結(jié)20min。得到雙面對(duì)電極。
(5)將兩片玻璃光陽(yáng)極與雙面多孔鈦對(duì)電極組裝成三明治式并聯(lián)太陽(yáng)能電池，測(cè)得I-V曲線如圖5。
權(quán)利要求
1.一種多孔鈦的制備方法，其特征在于，將鈦片經(jīng)過(guò)前期處理，再用酸溶液在一定溫度下處理一定時(shí)間，將處理過(guò)的鈦片做陰極，陽(yáng)極材料不限，在由酸、水、酸或鹽以一定比例配成的電解液中在一定電壓或電流條件下電解5 120分鐘，即可得到孔徑大小、表面顏色黑白可控的多孔鈦網(wǎng)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種多孔鈦的制備方法，其特征在于，電解液是由酸，水，酸或鹽按照摩爾比為I : a b配制而成，其中，a為5 500，b為O 30。
3.如權(quán)利要求2所述的電解液，其特征在于，酸可以是氫氟酸或其他具有腐蝕性有機(jī)酸或者無(wú)機(jī)酸，酸或鹽是指可增加電解液導(dǎo)電性的普通酸或鹽，例如醋酸、草酸、鹽酸、磷酸、氯化鈉、硫酸鈉等。
4.如權(quán)利要求I所述的一種多孔鈦的制備方法，所說(shuō)的孔徑大小、表面顏色黑白可控是指通過(guò)適度控制權(quán)利要求2中的a、b值、電流密度大小、電解時(shí)間和施加電壓中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)而得到實(shí)現(xiàn)。
5.如權(quán)利要求I所述的一種多孔鈦的制備方法，其特征在于，加壓速率為O IOV/min,電解電壓為O 60V，電解過(guò)程中電極的間距須保持為O. 5 IOcm ;或者控制電流密度為 O O. 5A/cm2。
6.如權(quán)利要求I所述的一種多孔鈦的制備方法，其特征在于，所述的鈦片前期處理是指，金屬鈦片經(jīng)過(guò)清洗劑、去離子水、乙醇分別超聲洗滌5 20分鐘后，烘干。
7.如權(quán)利要求I所述的一種多孔鈦的制備方法，其特征在于，所述的用草酸溶液前處理鈦片，其中所用草酸溶液濃度為5 20wt%，溶劑為水或乙醇或其他有機(jī)溶劑；處理時(shí)草酸溶液需保溫在40 100°C，處理時(shí)間為O. 5 20小時(shí)。
8.權(quán)利要求I 7所述方法制備的多孔鈦，由于其具有多孔結(jié)構(gòu)，光(液體)透過(guò)性好和導(dǎo)電性能好，非常適合制備電極材料如光伏電極，鋰離子電池電極，燃料電池電極，工業(yè)電解電極等；也可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域人工骨，牙齒種植體材料，多孔鈦也可以應(yīng)用于膜分離或者膜反應(yīng)器領(lǐng)域；在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中，此多孔鈦尤其適用于柔性染料敏化太陽(yáng)能電池的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)組裝。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新的多孔鈦的化學(xué)制備方法，以金屬鈦片為基底，經(jīng)表面除污清洗處理后，在草酸溶液中處理一定時(shí)間，得到凹凸不平的鈦片后在普通酸或鹽、溶劑、腐蝕性酸組成的體系中采用電化學(xué)陰極刻蝕法在陰極2～40V電壓下電解一段時(shí)間后，得到大小不一、孔徑可控，鈦表面顏色黑白可控的多孔鈦網(wǎng)。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、操作方便、設(shè)備要求低、條件易控，制得的多孔鈦網(wǎng)性質(zhì)穩(wěn)定、厚度低、柔軟，在光伏、光催化、電催化、醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C25F3/08GK102660765SQ20121009420
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者周幸福, 解海先, 邵長(zhǎng)林 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)