一种“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜的制备方法
【专利说明】一种“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜的制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种二氧化钛纳米薄膜的制备方法，尤其涉及一种“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0003]1102是一种非常重要的多功能半导体材料，在光电转化、光催化、锂离子电池负极、气体传感器等领域均具有潜在的应用前景。功能材料的性能与其微结构和成分组成密切相关。一维纳米结构可加强电荷传输；二维纳米结构具有较薄的厚度，可缩短电荷在其内部的扩散距离。具有一定宽度及长宽比的带状纳米结构可在一定程度上结合一维纳米材料和二维纳米材料的优势，成为一种重要的功能纳米材料。
[0004]常规的1102纳米带结构完整，具有光滑表面，容易引起载流子的复合，会导致其光催化性能不够理想。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜的制备方法，该方法获得的二氧化钛纳米薄膜比表面积大，光催化性能好。
[0006]本发明的制备“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜的方法，其步骤如下:
1)用去离子水将硫酸氧钛和甘氨酸分别溶解，再和硝酸混合，硝酸与甘氨酸的用量比为0.34mL/g，硫酸氧钛与甘氨酸的用量比为0.5-lg/g，将上述混合液装入坩祸在400°C加热至分解完毕，得到非晶金属络合物；将上述非晶金属络合物与质量浓度为30%的H2O2溶液混合，每克非晶金属络合物使用20~800mL H2O2溶液，在室温至80°C下反应72h，取上层清液作为前驱液；
2)将质量浓度为50~55%的氢氟酸、质量浓度为65~68%的硝酸与去离子水按体积比1:3:6混合，得酸洗液；
3)配置摩尔浓度为5mol/LNaOH溶液，将金属钛板表面用步骤2)所得的酸洗液酸洗后，再用去离子水超声波清洗干净，放入上述NaOH溶液中，置于高压反应釜，溶液不超过反应釜容积的80%，于180°C碱热反应24 h，得到钛酸钠纳米带；将样品取出后置于摩尔浓度
0.1 mol/L的盐酸溶液中进行离子交换，得到钛酸纳米带；再将样品在450°C煅烧I h，得到二氧化钛纳米带；
4)将步骤3)制得的二氧化钛纳米带，浸没于步骤I)制得的前驱液中，在60~90°C下反应3~12h，反应后的样品用去离子水冲洗，干燥，在400-600°C保温1-3 h，得到“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜。
[0007]本发明的有益效果在于:本发明通过形成表面异质分级结构，不仅可以显著提高薄膜比表面积，同时有利于提高量子产率，进而提升薄膜的光催化性能。本发明的薄膜可应用于光催化、光电转换、锂离子电池负极、气体传感器等领域。
【附图说明】
[0008]图1为实施例1制备的“带-带”分级结构T12纳米薄膜的X射线衍射图谱；
图2为实施例1制备的“带-带”分级结构1102纳米薄膜的扫描电子显微镜高倍照片； 图3为实施例1制备的“带-带”分级结构纳米T12薄膜的扫描电子显微镜低倍照片； 图4为实施例2制备的“带-带”分级结构纳米T12薄膜的扫描电子显微镜照片；
图5为实施例3制备的“带-带”分级结构纳米T12薄膜的扫描电子显微镜照片；
图6为实施例4制备的“带-带”分级结构纳米T12薄膜的扫描电子显微镜照片；
图7为实施例5制备的“带-带”分级结构纳米1102薄膜的扫描电子显微镜照片。
[0009]
【具体实施方式】
[0010]以下结合附图和具体实施例进一步阐述本发明，但本发明不仅仅局限于下述实施例。
[0011]实施例1
1)将1.25g硫酸氧钛、0.6mL硝酸和1.75g甘氨酸加入1mL去离子水中，再将装有上述溶液的坩祸放置于马弗炉中于400°C加热，溶液经过沸腾、起泡、分解后，得到黑色非晶金属络合物；将非晶金属络合物研磨后，取0.5g加入50mL质量浓度为30%的过氧化氢溶液中，室温放置72 h，取上层清液得到前驱液；
2)将质量浓度为55%的氢氟酸、质量浓度为65%的硝酸与去离子水按体积比1:3:6比例混合，得酸洗液；
3)将2.5X2.5X0.01 (cm3)金属钛板表面用步骤2)所得的酸洗液酸洗后，再用去离子水超声波清洗干净，放入40mL摩尔浓度为5M NaOH溶液中，然后放入容积50mL的聚四氟乙烯内衬中，放入高压釜内，置于180°C碱热反应24 h，得到钛酸钠纳米带；然后于摩尔浓度0.1M的盐酸溶液中进行离子交换，得到钛酸纳米带，再将钛酸纳米带于马弗炉中450°C煅烧I h，得到T12纳米带薄膜。
[0012]4)将步骤3)制得的T12纳米带薄膜，浸没于15mL步骤I)制得的前驱液，在80°C下反应3 h，反应后的样品用去离子水冲洗，干燥，在400°C保温3 ho得到“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜。
[0013]图1为本例制得的薄膜的X射线衍射图谱，经与标准卡片对照可知，所得产物为锐钛矿相T12 (图中除对应于1102外的衍射峰均来自钛金属基板)。图2、图3为所获得薄膜的扫描电子显微镜照片，可以看到获得的薄膜为纳米带上生长有排列规整且尺寸更小的纳米带，即薄膜为“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜。
[0014]实施例2
1)硫酸氧钛质量为1.75g，其他条件同实施例1 ;
2)同实施例1；
3)同实施例1；
4)在前驱液中反应温度为60°C，其他条件同实施例1。
[0015]图4为所获得薄膜的扫描电子显微镜照片，可以看到产物具有“带-带”分级纳米结构。
[0016]实施例3
1)过氧化氢溶液用量为400mL，其他条件同实施例1;
2)同实施例1；
3)同实施例1；
4)同实施例1o
[0017]图5为所获得薄膜的扫描电子显微镜照片，可以看到产物具有“带-带”分级纳米结构。
[0018]实施例4
1)同实施例1;
2)同实施例1；
3)同实施例1；
4)在前驱液中90°C下反应时间为6h，其他条件同实施例1。
[0019]图6为所获得薄膜的扫描电子显微镜照片，可以看到产物具有“带-带”分级纳米结构。
[0020]实施例5
1)硫酸氧钛质量为0.875g，其他条件同实施例1 ;
2)同实施例1；
3)同实施例1；
4)将步骤3)制得的T12纳米带薄膜，浸没于30mL步骤I)制得的前驱液，60°C下反应12 h，反应后的样品用去离子水冲洗，干燥，在600°C保温I h，得到“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜。
[0021]图7为所获得薄膜的扫描电子显微镜照片，可以看到产物具有“带-带”分级纳米结构。
【主权项】
1.一种“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)用去离子水将硫酸氧钛和甘氨酸分别溶解，再和硝酸混合，硝酸与甘氨酸的用量比为0.34mL/g，硫酸氧钛与甘氨酸的用量比为0.5-lg/g，将上述混合液装入坩祸在400°C加热至分解完毕，得到非晶金属络合物；将上述非晶金属络合物与质量浓度为30%的H2O2溶液混合，每克非晶金属络合物使用20~800mL H2O2溶液，在室温至80°C下反应72h，取上层清液作为前驱液； 2)将质量浓度为50~55%的氢氟酸、质量浓度为65~68%的硝酸与去离子水按体积比1:3:6混合，得酸洗液； 3)配置摩尔浓度为5mol/LNaOH溶液，将金属钛板表面用步骤2)所得的酸洗液酸洗后，再用去离子水超声波清洗干净，放入上述NaOH溶液中，置于高压反应釜，溶液不超过反应釜容积的80%，于180°C碱热反应24 h，得到钛酸钠纳米带；将样品取出后置于摩尔浓度.0.1 mol/L的盐酸溶液中进行离子交换，得到钛酸纳米带；再将样品在450°C煅烧I h，得到二氧化钛纳米带； 4)将步骤3)制得的二氧化钛纳米带，浸没于步骤I)制得的前驱液中，在60~90°C下反应3~12h，反应后的样品用去离子水冲洗，干燥，在400-600°C保温1-3 h，得到“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜。
【专利摘要】本发明公开了一种“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜的制备方法，主要步骤包括：将硫酸氧钛、甘氨酸和硝酸在去离子水中混合，然后经干燥分解，得到非晶金属络合物；将非晶金属络合物与双氧水溶液反应，取上层清夜作为前驱液；将酸洗后金属钛板浸没于氢氧化钠溶液中，酸洗和热处理后再将上述纳米带薄膜浸没于前驱液中反应3~12小时，反应后的样品用去离子水冲洗，干燥，热处理，获得“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜。本发明将碱热纳米带阵列直接放入前驱液中反应获得“带-带”分级结构纳米二氧化钛薄膜，重现性好。所制的“带-带”分级结构独特，比表面积高，可应用于光催化、光电转换、锂离子电池负极、气体传感器等领域。
【IPC分类】C23C22/64, C23C22/82
【公开号】CN105018919
【申请号】CN201510396329
【发明人】白俊强, 文伟, 吴进明
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年7月8日