[发明专利]金属钛表面的钛氧化物纳米线薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属钛表面的钛氧化物纳米线薄膜及其制备方法，特别是一种具有光催化活性的二氧化钛纳米线网络状薄膜材料及其制备方法，属于无机纳米材料领域。

背景技术

以二氧化钛为代表的光催化氧化技术是一种新型的污染治理技术，它具有能耗低、反应条件温和、操作简便、无二次污染等突出特点，并具有直接利用太阳能的潜力，这在能源问题日益严重的今天更显重要。虽然大量的研究报道表明，水体中的典型难降解有机污染物如染料、表面活性剂、有机卤化物、农药、氰化物、酚类、多氯联苯和多环芳烃等，都能被有效地光催化降解、脱色、去毒或矿化为无机小分子物质，最终消除对环境的污染。然而半导体光催化在水污染治理方面存在的一个瓶颈就是如何将二氧化钛固载并保持稳定高效的光催化活性，从而避免昂贵的固液分离操作。制备二氧化钛薄膜是一种有效的固载策略。二氧化钛纳米线、纳米管、纳米棒以及介孔结构的薄膜材料在光催化、光电催化、气体传感、太阳能电池、自洁净表面等方面均有着广泛的研究和应用，对于提高人们生活质量具有潜在的应用前景。

目前多采用溶胶凝胶法制备介孔薄膜，如文献《化学材料》杂志2004，16，1523-1530上发表的“介孔二氧化钛分子筛薄膜的孔壁化学和光催化活性”(J.Yu，et al.，Pore-Wall Chemistry and Photocatalytic Activity of MesoporousTitania Molecular Sieve Films，Chem.Mater.)，报道了采用表面活性剂作为模板剂，通过溶胶凝胶前驱物的浸渍提拉制备了介孔二氧化钛薄膜，然而这种方法制备工艺复杂昂贵，且不利于大规模的实现光催化薄膜材料的生产，而且制成的薄膜光催化活性仍不高。通过金属钛直接氧化制备二氧化钛薄膜是一种可行的大规模制备的方法，例如文献《材料研究》杂志2001，16，3331-3334发表的“阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列”(D.Gong，et al.，Titanium oxidenanotube arrays prepared by anodic oxidation.J.Mater.Res.)首次报道了阳极氧化法制备有序的二氧化钛纳米管薄膜，然而这种方法需要使用电源和腐蚀性电解液，也难以大规模生产。最近专利文献CN100352970C“金属钛表面制备定向排列二氧化钛纳米棒阵列的方法”，采用双氧水氧化金属钛，在低温下制备了二氧化钛纳米棒薄膜，并显示出一定的光催化活性。但是该方法不涉及制备二氧化钛纳米线网络或钛酸盐纳米线等方面的内容。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种金属钛表面的钛氧化物纳米线薄膜及其制备方法，制得的纳米线薄膜具有良好的光催化活性，并且形成的介孔和大孔结构使得比表面积大，与基底结合牢固。这种网状结构还可通过包埋其它物质用于制备特殊的纳米复合材料。

本发明是通过以下技术方案实现的：采用刻蚀后的清洁金属钛片，浸渍于氢氧化钠或氢氧化钾的强碱性双氧水溶液中，置于一定温度下氧化反应，通过晶体生长得到钛酸盐纳米线网络薄膜，随后采用酸浸渍交换金属阳离子得到钛酸纳米线网络薄膜，最后焙烧获得纳米线网络的纯二氧化钛薄膜。这种网状结构能够有效地吸收入射光线，显示出很好的光催化活性，并在光电催化、传感器件、自洁净表面等方面有很好的前景。

本发明的金属钛表面钛氧化物纳米线薄膜的制备方法具体如下：

(1)将金属钛表面用去离子水和丙酮超声清洗，然后在刻蚀液中浸渍，再用去离子水超声洗净，干燥，得到表面洁净的金属钛。

(2)将上述清洗后干燥的金属钛，浸没于氧化液中，在40-90℃下反应6-72小时，在金属钛表面形成钛酸盐纳米线薄膜；所述氧化液由浓度为10M的碱和质量浓度为30％的双氧水构成，碱和双氧水的体积比为1∶1-10。

(3)将表面形成钛酸盐纳米线薄膜的金属钛用去离子水清洗，然后在浓度为0.01-0.1M的酸中浸渍1-5次，使得氢离子完全交换碱金属离子，在金属钛表面形成钛酸纳米线薄膜。

(4)将表面形成钛酸纳米线薄膜的金属钛在100-600℃焙烧1-6小时，获得在金属钛表面形成的网络状的二氧化钛纳米线薄膜。

本发明中所述的金属钛可以是金属钛片、金属钛丝、金属钛网等金属钛加工的各种形状的部件，通过本方法，表面均可以形成二氧化钛纳米线网络状的薄膜。