一种TiO₂纳米棒阵列的水热合成方法

专利名称：一种TiO₂纳米棒阵列的水热合成方法
技术领域：
本发明属于光电材料新能源领域，特别涉及了一种T^2纳米棒阵列的水热合成方法。
背景技术：
近年来，纳米棒、纳米线、纳米纤维等准一维结构由于微结构均勻、尺寸可调等优点而成为很有前景的染料/量子点敏化太阳能电池或极薄吸收体太阳能电池的光阳极结构材料。在电极的制备过程中以大面积的纳米线阵列结构为主，这种结构在电池材料、过滤与分离材料、光催化材料、气敏传感材料以及热阻材料等方面具有广阔的应用前景。TiO2纳米棒阵列结构具有电子迁移率高、化学稳定性高、可见光透过率高、无毒无污染、成本低廉、 材料制备工艺简单等特点，已经广泛应用于光伏器件、传感器、光催化等领域。目前人们主要利用磁控溅射、化学气相沉积、溶胶凝胶模板等方法制备TW2纳米线/棒阵列结构，然而前两种方法需要高温或真空条件，并且制备的阵列结构与基底的垂直性并不好，溶胶凝胶模板法制备虽然成本低廉，其制备的一维结构为纳米粒子的堆积，缺陷较多，从而直接影响电极的电荷传输性能。

发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直取向性强的TiA纳米棒阵列的水热合成方法，并且该方法简单易行，可制得大面积TiA纳米棒阵列。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为 一种TiA纳米棒阵列的水热合成方法，步骤如下
(1)、制备种子层将FTO导电玻璃垂直浸入钛源溶胶(钛源溶胶的制备可利用钛酸四丁酯、二乙醇胺、水及乙醇参照现有技术制备)，然后以0. 6 1.5Cm/min速率提出，晾干后退火处理；其中，退火条件为升温速率3 5°C /min，退火温度450士30°C，保持3(T60min，降温速率2 5°C /min ；
(2)、水热反应把制备有种子层的FTO导电玻璃置于反应溶液中，在15(T180°C水热反应5 24h后，冷却至室温，取出，洗净、晾干，得到TW2纳米棒阵列；所述反应溶液的体积比组成为水浓盐酸(质量浓度36 38%)钛酸四丁酯=19 50 :19 50 :1。具体地，步骤(2)中首先，取水、浓盐酸，搅拌均勻后，在保持搅拌的同时逐滴加入钛酸四丁酯，搅拌均勻得到反应溶液；然后，把制备有种子层的FTO导电玻璃朝下斜靠于水热反应釜内壁，反应溶液倒入水热反应釜内，密封水热反应釜之后进行水热反应。较好地，步骤(1)中各参数优选提出速率0.8cm/min ；退火条件为升温速率 30C /min，退火温度450°C，保持60min，降温速率2V /min。较好地，步骤(2)中，所述反应溶液的体积比组成优选为水浓盐酸钛酸四丁酯 =30 30 :1。较好地，步骤(2)中，水热反应温度优选为180°C，水热反应时间优选为他。
较好地，水优选为三次蒸馏水。本发明水热合成方法克服了目前磁控溅射、化学气相沉积要求条件苛刻、制备阵列结构垂直性不好的缺点，和溶胶凝胶模板法缺陷较多、影响电荷传输性能等难题，制备的 TiO2纳米棒阵列结构，垂直取向性强，所用的材料廉价，工序简单，重复性好，可以用作制备大面积薄膜，为构筑新型阵列器件提供条件。


图1 实施例1中制备的种子层SEM图2 实施例1中FTO导电玻璃基底(a)和制备的种子层(b)的UV-Vis吸收光谱图； 图3 实施例1中制备的T^2纳米棒阵列结构平面SEM图； 图4 实施例1中制备的T^2纳米棒阵列结构截面SEM图5 实施例1中FTO导电玻璃基底(a)和制备的TW2纳米棒阵列结构(b)的XRD图； 图6 实施例1中制备的TW2纳米棒阵列结构UV-Vis吸收光谱图。
具体实施例方式以下实施例中，钛酸四丁酯、无水乙醇、二乙醇胺和浓盐酸(质量浓度36%)均为分析纯试剂，购于天津市科密欧化学试剂有限公司；FTO导电玻璃，厚度为2. 2mm，方块电阻为纩12 Ω，购买于武汉格奥科教仪器有限公司；SEM 采用日本JEOL公司的JSM-5600扫描电镜；XRD 采用荷兰Philips公司的X' Pert Pro MPD衍射仪(Cu靶K α ) ；UV-Vis透射光谱采用英国UNICAM公司的ΗΕλ I0S。实施例1
一种T^2纳米棒阵列的水热合成方法，步骤如下
(1)、制备钛源溶胶采用文献YuH.，Zhang S. Q.，Zhao H. J.，Xue B. F.，Liu P. R.，Will G.. J. Phys. Chem. C [J], 2009,113 (36) :16277 16282 的方法，首先取无水乙醇:35ml、二乙醇胺2. 75ml、钛酸四丁酯6. 7ml，混合搅拌Ih得混合溶液A ；将0. 6ml三次蒸馏水、30ml 无水乙醇混合均勻，用恒压漏斗逐滴加入混合溶液A中，剧烈搅拌池；将所得的溶液静置陈化Mh，得到浅黄色透明钛源溶胶；
(2)、制备种子层首先，用15ml的烧杯取12ml钛源溶胶，置于LB拉膜机提拉钩下，将 FTO导电玻璃(裁成长*宽*厚lcm*2. 5cm*2. 2mm小块)清洗干净夹于提拉钩，以km/min的速度将FTO导电玻璃缓慢浸入溶胶中，静置lmin，然后以Smm/min的速度勻速提拉出来，自然晾干，然后在中温箱式炉中退火，退火后自然冷却至室温。退火条件为升温速度为;TC/ min，升温至450°C保持60min，降温速度为2V /min。制备的种子层SEM图、UV-Vis吸收光谱图分别见图1和图2 (a-FTO导电玻璃基底，b-制备的种子层)。由图1可见，制备的种子层较为均勻的分布在FTO表面。图加的吸收曲线在波长小于335nm范围内出现强烈的吸收，图2b的吸收曲线的吸收边位于417nm左右，与金红石相的TiO2相一致，可见种子层有金红石相的成分；
(3)、水热反应首先，取三次蒸馏水15ml、浓盐酸15ml，搅拌均勻后，在保持搅拌的同时逐滴加入钛酸四丁酯0. 5ml，搅拌均勻得到反应溶液B ；然后把带有种子层的FTO导电玻璃朝下斜靠于水热反应釜内壁，反应溶液B倒入水热反应釜内，密封水热反应釜之后，然后将水热反应釜置于干燥箱中升温至180°C，水热反应他后，自然冷却至室温，取出，分别用无水乙醇和三次蒸馏水冲洗干净、自然晾干，得到TW2纳米棒阵列。图3为制备的TW2纳米棒阵列结构的平面SEM图，图中其棒的直径较为均一，密度较大。图4为制备的T^2纳米棒阵列结构的截面SEM图，其中可见其长度约为5飞μ m,并且垂直性很好。图fe为FTO导电玻璃基底的XRD图，图恥为制备的TW2纳米棒阵列结构的XRD图，图恥中位于62°左右的强峰为金红石相TiO2的(002)峰，这一点正说明了其取向性生长。图6为制备的TW2 纳米棒阵列结构的吸收曲线，其吸收边也在417nm左右，与金红石相TW2 一致。实施例2
一种T^2纳米棒阵列的水热合成方法，步骤如下
(1)、制备钛源溶胶步骤同实施例ι的步骤(ι)；
(2)、制备种子层提出速率6mm/min;退火条件为升温速率4°C/min，退火温度 420°C，保持50min，降温速率4°C /min，其它均同实施例1的步骤(2)；
(3)、水热反应所述反应溶液的体积比组成为水15ml、浓盐酸15ml、钛酸四丁酯 0. 3ml ；水热反应温度为150°C，水热反应时间为Mh ；其它均同实施例1的步骤(3)。实施例3
一种T^2纳米棒阵列的水热合成方法，步骤如下
(1)、制备钛源溶胶步骤同实施例ι的步骤(ι)；
(2)、制备种子层提出速率1.5cm/min ；退火条件为升温速率5°C /min，退火温度 480°C，保持30min，降温速率5°C /min，其它均同实施例1的步骤(2)；
(3)、水热反应所述反应溶液的体积比组成为水15ml、浓盐酸15ml、钛酸四丁酯 0. 8ml ；水热反应温度为160°C，水热反应时间为证；其它均同实施例1的步骤(3)。
权利要求
1.一种TiA纳米棒阵列的水热合成方法，其特征在于步骤如下(1)、制备种子层将FTO导电玻璃垂直浸入钛源溶胶，然后以0.6^1. 5cm/min速率提出，晾干后退火处理；其中，退火条件为升温速率3飞。C /min，退火温度450士30°C，保持 30 60min，降温速率2 5°C /min ；(2)、水热反应把制备有种子层的FTO导电玻璃置于反应溶液中，在15(T180°C水热反应5 24h后，冷却至室温，取出，洗净、晾干，得到TW2纳米棒阵列；所述反应溶液的体积比组成为水浓盐酸钛酸四丁酯=19飞0 19 50 :1。
2.如权利要求1所述的T^2纳米棒阵列的水热合成方法，其特征在于步骤(2)中首先，取水、浓盐酸，搅拌均勻后，在保持搅拌的同时逐滴加入钛酸四丁酯，搅拌均勻得到反应溶液；然后，把制备有种子层的FTO导电玻璃朝下斜靠于水热反应釜内壁，反应溶液倒入水热反应釜内，密封水热反应釜之后进行水热反应。
3.如权利要求1或2所述的TiO2纳米棒阵列的水热合成方法，其特征在于步骤(1)中 提出速率0. 8cm/min ；退火条件为升温速率3°C /min,退火温度450°C，保持60min，降温速率 2°C /min。
4.如权利要求3所述的T^2纳米棒阵列的水热合成方法，其特征在于步骤(2)中，所述反应溶液的体积比组成为水浓盐酸钛酸四丁酯=30 30 :1。
5.如权利要求4所述的TiO2纳米棒阵列的水热合成方法，其特征在于步骤(2)中，水热反应温度为180°C，水热反应时间为他。
6.如权利要求广5之任意一项所述的TW2纳米棒阵列的水热合成方法，其特征在于 水为三次蒸馏水。
全文摘要
本发明属于光电材料新能源领域，特别公开了一种TiO2纳米棒阵列的水热合成方法。先将FTO导电玻璃垂直浸入钛源溶胶，然后以0.6~1.5cm/min速率提出，晾干后退火处理；其中，退火条件为升温速率3~5℃/min，退火温度450±30℃，保持30~60min，降温速率2~5℃/min；把制备有种子层的FTO导电玻璃置于反应溶液中，在150~180℃水热反应5~24h后，冷却至室温，取出，洗净、晾干，得到TiO2纳米棒阵列；所述反应溶液的体积比组成为水浓盐酸钛酸四丁酯=19~5019~501。本发明水热合成方法制备的TiO2纳米棒阵列结构，垂直取向性强，所用的材料廉价，工序简单，重复性好。
文档编号B82Y40/00GK102153140SQ20111009437
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者庞山, 杜祖亮, 程轲, 袁占强 申请人:河南大学