纳米管阵列膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料、光催化及光电转化技术领域，具体是涉及一种高度择优取向的锐钛矿型1102纳米管阵列膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]T i O2纳米材料的良好的稳定性以及光电转化性能使其在光解水制氢、太阳能电池、光电化学检测有机物浓度、光催化等领域具有良好的应用前景。但由于其自身结构及物化性能的限制，纳米T12也存在着带隙较宽、光生电子空穴对复合几率高的问题，严重限制了其光电转换以及光催化性能的提升。针对这些存在的问题研究人员进行了大量的相关研究工作，譬如通过窄带隙半导体修饰、非金属离子掺杂、有机染料表面敏化、金属纳米颗粒修饰等对T12纳米材料进行改性，拓宽其光响应范围、降低光生电子空穴对的复合几率。这些方法都是从外在修饰改善T12纳米材料的性能，而T12纳米管自身的结构也是影响其性能的关键因素，譬如采用阳极氧化法结合热处理晶化制备的T12纳米管阵列，具有锐钛矿的多晶结构，其晶界处往往是光生电子空穴对在迀移过程中的缺陷复合中心，会降低其光催化或光电化学性能。在打02纳米管内构造一种单晶或者准单晶结构将大大降低缺陷复合中心，从而提高其光催化或光电化学性能。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的是提供一种高度择优取向的锐钛矿型1102纳米管阵列膜及其制备方法，使得T12纳米管内构造出一种准单晶结构，以降低缺陷复合中心，从而提高其光催化或光电化学性能。
[0004]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0005]本发明高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜，其特点在于:1102纳米管阵列膜中的锐钛矿相具有(004)晶面择优取向，其(004)晶面大致平行于阵列膜表面。
[0006]上述高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜的制备方法，是将钛箔基底在含HF酸的电解液中进行阳极氧化处理后，再经煅烧晶化获得，其特点在于:所述钛箔基底为存在表面织构的钛箔，由钛箔经冷乳获得。
[0007]优选地，所述的阳极氧化所用的含HF酸的电解液为含HF酸的乙二醇溶液，其中HF的浓度为0.1?lmol/L，氧化电压为50?200V，氧化时间为I?20h。
[0008]优选地，所述煅烧晶化的煅烧温度为350?600°C，保温时间为2?10h。
[0009]本发明的有益效果在于:
[0010]本发明T12纳米管阵列膜中的锐钛矿相具有强烈的择优取向，其(004)晶面大致平行于阵列膜表面；这种具有强烈择优取向的T12纳米管类似于准单晶结构，相比较常规的多晶1102纳米管具有低的缺陷复合中心，光生电子空穴复合几率低，从而具有更高的光电转化效率和更高的光催化、光电化学活性。
【附图说明】
[0011]图1为退火态(a)和冷乳态(b)钛箔的X射线衍射谱的对比；
[0012]图2为具有高度择优取向的T12纳米管阵列膜(a)与普通多晶T12纳米管阵列膜(b)的X射线衍射谱的对比；
[0013]图3分别为普通多晶T12纳米管阵列膜(i，ii，iii)和高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜(iv，v，vi)的高分辨透射电子显微照片和对应的电子衍射花样的对比；
[0014]图4为高度择优取向的锐钛矿型1102纳米管阵列膜的扫描电镜照片；
【具体实施方式】
[0015]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。
[0016]实施例1
[0017]本实施例具有高度择优取向的锐钛矿型1102纳米管阵列膜，其制备工艺为:
[0018](I)对高纯钛箔(Ti纯度99.5% )进行冷乳处理，获得存在表面织构的钛箔
[0019]图1为原料高纯钛箔在退火态(a)和冷乳态(b)的X射线衍射图谱，从图中可以看出退火态钛箔的各衍射峰相对强度与标准谱(44-1294) —致，冷乳态钛箔出现了(002)衍射峰的增强，表明在表面出现了 Ti晶粒的择优取向。
[0020](2)对存在表面织构的钛箔的表面彻底清洗后，进行阳极氧化处理，在钛箔基底表面形成T12纳米管阵列膜，所用电解液为含0.3mol/L HF的乙二醇溶液，氧化电压为100V，时间为6h0
[0021](3)将步骤⑵获得的1102纳米管阵列膜在500°C进行2h的煅烧晶化，即获得高度择优取向的锐钛矿型打02纳米管阵列膜。
[0022]作为对比，将高纯钛箔不经过步骤(I)直接进行步骤(2)、(3)，获得普通多晶T12纳米管阵列膜。
[0023]图2分别为高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜(a)和普通多晶T1 2纳米管阵列膜(b)的X射线衍射谱的对比。从图中可以看出普通多晶1102纳米管阵列膜的X射线衍射峰最强锋为锐钛矿的(101)晶面，与标准锐钛矿衍射谱一致。高度择优取向的锐钛矿型1102纳米管阵列膜的最强衍射峰为(004)晶面，并且强度远远高于其它衍射峰，表明T12晶体产生了显著的择优取向，其(004)晶面大致平行于阵列膜表面。
[0024]图3分别为普通多晶T12纳米管阵列膜(i，ii, iii)和高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜(iv，v，vi)的高分辨透射电子显微照片和对应的电子衍射花样的对比。从图中可以看出普通多晶T12纳米管阵列膜主要晶面为锐钛矿(101)晶面，不同晶粒的(101)晶面随机取向，电子衍射花样显示出多晶的衍射环；高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜为(004)晶面择优取向，并且(004)晶面垂直于纳米管的轴向，即平行于T12纳米管阵列膜的表面。电子衍射花样显示为规则的点阵结构，显示出微区的单晶结构。
[0025]图4为高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜的扫描电镜照片。从图中可以看出T12纳米管直径为130nm左右，纳米管阵列膜厚度约为10 μ m。
[0026]本实施例所制备出的T12纳米管阵列膜具有(004)晶面择优取向性，经测试，其在36mW/cm2的紫外光照射下，光电流密度为250.6 μ A/cm 2，约为普通T12NTAs光电流密度的2倍。
[0027]实施例2
[0028]本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(3)中煅烧晶化时间改为5h。
[0029]本实施例所制备出的T12纳米管阵列膜具有(004)晶面择优取向性，经测试，其在36mW/cm2的紫外光照射下，光电流密度为337.6 μ A/cm 2，约为普通T12NTAs光电流密度的2.6倍。
[0030]实施例3
[0031]本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(3)中煅烧晶化时间改为7h。
[0032]本实施例所制备出的T12纳米管阵列膜具有(004)晶面择优取向性，经测试，其在36mW/cm2的紫外光照射下，光电流密度为370 μ A/cm 2，约为普通T12NTAs光电流密度的2.9 倍。
[0033]实施例4
[0034]本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(3)中煅烧晶化时间改为10h。
[0035]本实施例所制备出的T12纳米管阵列膜具有(004)晶面择优取向性，经测试，其在36mW/cm2的紫外光照射下，光电流密度为372 μ A/cm 2，约为普通T12NTAs光电流密度的2.9 倍。
[0036]实施例5
[0037]本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中阳极氧化时间改为20h。
[0038]本实施例所制备出的T12纳米管阵列膜具有(004)晶面择优取向性，经测试，其在36mW/cm2的紫外光照射下，光电流密度为284.2 μ A/cm 2，约为普通T12NTAs光电流密度的2.26倍。
【主权项】
1.一种高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜，其特征在于:所述锐钛矿型T12纳米管阵列膜中的锐钛矿相具有(004)晶面择优取向。2.—种权利要求1所述的高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜的制备方法，是将钛箔基底在含HF酸的电解液中进行阳极氧化处理后，再经煅烧晶化获得，其特征在于:所述钛箔基底为存在表面织构的钛箔，由钛箔经冷乳获得。3.如权利要求2所述的高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜的制备方法，其特征在于:所述阳极氧化所用的含HF酸的电解液为含HF酸的乙二醇溶液，其中HF的浓度为0.1?lmol/L，氧化电压为50?200V，氧化时间为I?20h。4.如权利要求2所述的高度择优取向的锐钛矿型T12纳米管阵列膜的制备方法，其特征在于:所述煅烧晶化的煅烧温度为350?600°C，保温时间为2?10h。
【专利摘要】本发明公开了一种高度择优取向的锐钛矿型TiO2纳米管阵列膜及其制备方法，其特征在于：TiO2纳米管阵列膜中的锐钛矿相具有强烈的择优取向，其(004)晶面大致平行于阵列膜表面。本发明的高度择优取向的TiO2纳米管类似于准单晶结构，相比较常规的多晶TiO2纳米管具有低的缺陷复合中心，光生电子空穴复合几率低，从而具有更高的光电转化效率和更高的光催化、光电化学活性。
【IPC分类】B01J21/06, B01J35/02
【公开号】CN105013459
【申请号】CN201510378068
【发明人】徐光青, 王金文, 张旭, 吕珺, 吴玉程
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年6月29日