[发明专利]TiO2纳米结构、膜和薄层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构，更具体地说，涉及一种含TiO₂的大尺寸(macro-sized)纳米结构，以及其制备方法和应用。

背景技术

由于在纳米尺寸(nanoscale)中，一维(1D)结构约束(structuralconfinement)与其大量独特的物理和化学性质有关，因而对一维纳米结构进行了大量的研究[1]。由于其高的热稳定性和化学惰性，可将无机纳米纤维(包括纳米线和纳米管)装配到悬空薄膜(FSM)以用于高温和恶劣环境中的重要应用[2]。为了使得FSM健壮，需要格外长的无机纳米纤维，并且这些无机纳米纤维之间结合紧密。接着，这样制得的无机FSM具有独特的孔隙率、渗透性、热稳定性、化学惰性、健壮性和催化活性，而其具有的所有这些性质都大大不同于单铸入性纳米纤维以及相同/类似的化学式的体相的纳米纤维FSM。

1996年已经公开了纳米结构FSM的制备：在表面活性剂分子的协助下，在云母-水界面生长有序介孔(oriented mesoporous)硅膜[3]。稍后，公开了一种不同的溶液，其可用于制备锐钛矿纳米微晶的介孔FSM[4]。其后，在文献中更经常地讨论到采用1D无机纳米结构的功能性FSM。最近，将多微孔氧化锰纳米纤维铸入到纸状FSM，并对该纳米纤维采用精确控制的分层调整[5]。使得V2O5纳米纤维缠绕的薄片在较低应用电压下具有较高的杨氏模量、较大的应激张力(actuator generated stress)和显著的制动冲程[6]。另外，已经将碳纳米管(CNT)用于制备功能性FSM。首先报道的是包括同轴碳纳米管的巴克纸(buckypaper)，该巴克纸具有改进的力学性质、热传导性和结构稳定性[7]。最近，制备出了牢固的、透明的并且是多功能的CNT正交构成的薄片，该薄片具有比高强度钢更好的重量分析强度[8]。

然而，在550℃的高温下，在空气中长时间加热时，上述无机纳米纤维FSM并不稳定[5]。另一方面，CNT在这样强烈的煅烧中容易快速氧化。因此，基于TiO₂的纳米纤维FSM的热稳定性和化学惰性的进展受到广泛关注，以推进现有技术中的高温催化、传感、吸附和分离。此外，直接从一维纳米材料制备大量制备健壮的、热稳定的和多功能的肉眼可见的三维结构仍然是一个挑战。

因此，直到现在，上述缺陷和不足在本领域中仍然存在，并且需要解决。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种合成大尺寸纳米结构的方法。在一个实施例中，该方法包括将大量的TiO₂粉末与一定体积的碱金属或碱性溶液混合，以形成混合物，并在高于160℃的温度下加热所述混合物一段时间，以形成含TiO₂的大尺寸纳米结构。在此，所述含TiO₂的大尺寸纳米结构在不含包括Ti的基体的环境中生成。该方法进一步包括采用蒸馏水或稀酸冲洗所述含TiO₂的大尺寸纳米结构的步骤。在一个实施例中，该含TiO₂的大尺寸纳米结构一般包括具有大约为20nm到150nm的典型直径的纳米纤维。该纳米纤维一般是TiO₂-B相或钛酸盐相。

在一个实施例中，所述混合物放置在容器中并且将所述容器密封。该加热步骤包括将所述包括混合物的密封容器放到烘箱中加热，在此，加热该混合物的温度位于180-300℃的范围内，并且加热时间位于约3-960小时的范围内。

在一个实施例中，该碱金属溶液包括下列一种物质或它们中任意组合的混合物：氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化锂(LiOH)、氢氧化铷(RbOH)、氢氧化铯(CsOH)，而所述碱性溶液包括下列一种物质或它们中任意组合的混合物：氢氧化镁[Mg(OH)₂]、氢氧化钙[Ca(OH)₂]、氢氧化锶[Sr(OH)₂]和氢氧化钡[Ba(OH)₂]。

在另一方面，本发明涉及根据上述方法合成的大尺寸纳米结构。

在又一方面，本发明涉及一种合成纳米结构。在一个实施例中，该合成纳米结构包括根据下列反应式的化学反应产物：

2NaOH+3TiO₂＝Na₂Ti₃O₇+H₂O，