一种多孔花瓣状的锐钛矿TiO2纳米晶薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及纳米材料制备以及光电化学技术领域，具体是公开了一种多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶制备及其制备方法。

背景技术

tio2是一种常用的半导体纳米材料，自1972年被发现具有光催化效应以来，tio2就因为其光催化活性高，物理化学稳定性好，生物无毒性等优势而广泛被科研工作者研究。tio2半导体纳米材料在紫外光照射下，位于价带(vb)上电子(e^-)被激发而跃迁至其导带(cb)，价带上留下空穴(h⁺)，二者形成光生电子-空穴对。其中所生成的部分光生电子被水中的溶解氧捕获，从而生成强氧化性的超氧离子(·o2^-)；空穴本身也具有很强的氧化性，他可以将h2o分子或者oh^-氧化成羟基自由基(·oh)，羟基自由基，超氧离子，以及空穴三者都具有非常强的氧化性。具体在光催化应用领域来说，其光反应过程中所生成的光生电子可以用于光解水制氢，众所周知，氢能是公认的清洁能源，对于未来低碳世界的实现有着不可或缺的重要作用；另基于tio2半导体纳米材料优异的氧化性，可以将环境中的有机污染物降解成co2、h2o以及其它无机小分子等，故tio2半导体纳米材料在有机污染物降解等环境保护领域也有着广泛的应用。因此，基于其优异的光催化性能，使得它在光催化剂领域有着众多良好的应用前景。但是在实际应用中，tio2纳米材料由于其自身电子-空穴对复合率极高，严重制约了其光催化性能。目前，常用的tio2改性的方法有贵金属沉积，窄带隙半导体复合以及离子掺杂等，但是这些改性方法，存在着自身的缺陷，例如价格昂贵、复合程度不均匀以及带来二次污染等。基于tio2半导体纳米材料合成过程中改性的研究，对于提高tio2半导体纳米材料在实际应用中的性能有着重要作用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于：提供一种光电化学性能优异的多孔花瓣状锐钛矿tio2纳米晶及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶薄膜，该薄膜由多孔tio2纳米晶组成，比表面积大，光生电子空穴复合几率低；tio2纳米晶薄膜为锐钛矿相，光生空穴氧化能力强；tio2纳米晶薄膜由ti基底直接水热生长而成，与基底结合良好，既具有较低的电荷迁移电阻，也不易产生薄膜的脱落。

一种多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶薄膜的制备方法，采用水热合成和高温晶化法制备，具体步骤如下：

(1)将钛片依次置于丙酮、去离子水、酒精、去离子水中进行超声表面清洗，将清洗后的钛片置于38-42℃的烘箱内烘干保存；

(2)将步骤(1)处理后的钛片置于含有hf酸溶液的聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应得到tio2纳米晶薄膜；

(3)将tio2纳米晶薄膜清洗后进行高温晶化处理，获得多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶薄膜。

优选地，步骤(1)的具体清洗工艺为：将钛片依次置于丙酮中超声清洗20-40min，去离子水中超声清洗8-15min，酒精中超声清洗15-25min，去离子水中超声清洗8-15min。

优选地，步骤(2)中hf酸溶液的浓度为5-20mmol/l；hf酸溶液的溶剂为乙二醇和水的混合溶剂，乙二醇和水体积比为1:1-1:15之间。

优选地，步骤(2)中的水热反应温度为140-200℃，水热反应时间为2-10h。

优选地，步骤(3)中高温晶化处理为在400-600℃下保温0.5-4h。

本发明的有益效果在于：

本发明水热合成所制备的锐钛矿tio2纳米晶形貌可控，与基底结合力较高，光生空穴氧化能力强，光电化学性能优异，纳米晶表面多孔，电子迁移速度快，光生电子空穴复合率低。

附图说明

图1为多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶的xrd图谱；

图2为多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶的扫描形貌图谱。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，仅仅是对本发明构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应视为落入本发明的保护范围。

实施例1

本实施例一种多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶制备，其制备工艺为：

(1)将钛片进行超声表面清洗，具体清洗工艺：依次置于丙酮中超声清洗30min，去离子水中超声清洗10min，酒精中超声清洗20min，去离子水中超声清洗10min，之后，将清洗后的钛片置于40℃的烘箱内烘干保存。

(2)配置水热合成所用的浓度为10mmol/lhf酸溶液，其溶剂为乙二醇和水的混合溶剂，乙二醇和水的体积比为1:7。

(3)将步骤(1)中钛片置于含有步骤(2)所配置hf酸溶液的聚四氟乙烯反应釜中水热反应，其中：水热温度为160℃，水热时间为6h。

(4)将步骤(3)所获得的样品置于500℃下保温2h。

本实施例所制备出的多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶，经测试，其光电流密度可达到53.48μa/cm²。

实施例2

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中乙二醇和水的体积比为1:5，本实施例所制备出的多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶，经测试，其光电流密度达到48.25μa/cm²。

实施例3

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中乙二醇和水的体积比为1:10，本实施例所制备出的多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶，经测试，其光电流密度达到44.34μa/cm²。

实施例4

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中乙二醇和水的体积比为1:12，本实施例所制备出的多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶，经测试，其光电流密度达到38.28μa/cm²。

实施例5

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(3)中水热温度为140℃，本实施例所制备出的多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶，经测试，其光电流密度达到47.39μa/cm²。

实施例6

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(3)中水热温度为180℃，本实施例所制备出的多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶，经测试，其光电流密度达到42.17μa/cm²。

实施例7

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(3)中水热时间为4h，本实施例所制备出的多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶，经测试，其光电流密度达到49.87μa/cm²。

实施例8

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(3)中水热时间为8h，本实施例所制备出的多孔花瓣状的锐钛矿tio2纳米晶，经测试，其光电流密度达到47.31μa/cm²。