[发明专利]快速沉积纳米粒子于二氧化钛纳米管阵列以提高其光电催化性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及将胶态的纳米二氧化钛粒子填入二氧化钛纳米管阵列孔道内以提高其光电催化性能的方法，主要采用了方便快捷的超声处理方法，本发明属纳米材料制备技术领域。

背景技术

纳米二氧化钛广泛应用于敏化太阳能电池、环境污染物降解、光解水制氢、气敏等技术领域，是最受重视、最被广泛研究的纳米材料之一。在各种各样的二氧化钛纳米结构中，二氧化钛纳米管阵列由于其独特的有序孔道结构和大的比表面积在敏化太阳能电池和光催化应用中备受特别关注。然而，二氧化钛纳米管阵列应用于上述技术领域需要克服一些自身缺陷，主要表现在无可见光敏感性，因而不能直接应用于廉价的太阳能技术领域。为此，在纳米管阵列内填入可起到可见光敏化作用的CdSe和CdS等类型的纳米粒子。目前所采用的填入纳米粒子于孔道内的方法有原位反应法和浸入法。原位反应填入CdS粒子的方法是将二氧化钛纳米管阵列反复依次浸入Cd²⁺和S^2-的水溶液直到所需要的填充度。这种方法复杂且受到反应的限制。浸入法制备CdSe修饰的二氧化钛纳米管阵列是将二氧化钛纳米管阵列浸入CdSe量子点的甲苯溶液。因为CdSe量子点与二氧化钛纳米管壁的作用很弱，所以需要表面功能化处理，且需要长的浸泡时间(3天)。为克服上述方法的局限性，本发明采用了简单快捷的超声法，即将二氧化钛纳米管阵列浸入适当浓度的纳米粒子胶态分散系超声10秒即可，不需要任何的表面功能化处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速沉积纳米粒子于二氧化钛纳米管阵列以提高其光电催化性能的方法，其中关键的步骤是采用超声波处理方法，将分散在溶液中的胶态纳米粒子在超声波的作用下快速沉积到二氧化钛纳米管阵列的管壁，达到修饰二氧化钛纳米管阵列的目的。

本发明一种快速沉积纳米粒子于二氧化钛纳米管阵列以提高其光电催化性能的方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

a.二氧化钛纳米管阵列的制备：将工业纯钛片超声清洗后干燥，然后在HF、HNO₃和水的混合溶液中化学抛光，合溶液中三者的体积比为HF∶HNO₃∶H₂O＝1∶4∶5；采用阳极氧化法，即采用两电极体系，将钛片、铅板分别按到直流稳压电源的正负极，以0.4wt％NH₄F，含有2wt％H₂O的乙二醇溶液作为电解液，施加60V直流电压进行电化学阳极氧化过程而制备得TiO₂纳米管阵列；然后超声清洗，干燥后在空气气氛中450℃退火，恒温2小时，待其自然冷却；

b.水溶性二氧化钛纳米晶的制备：取一定质量的钛酸丁酯(TNB)和聚乙二醇(PEG)按摩尔比1∶1相配合，并剧烈搅拌使混合均匀，得到糊状液；然后滴加一定量的浓盐酸至反应体系变澄清；然后将混合液移至Teflon高压反应釜，并放置在电烘箱内在150℃下反应5～6小时，得到浓稠白色乳液；经洗涤，离心分离、，真空干燥，得白色块体，再经研磨后得白色二氧化钛纳米晶粉末；

c.水溶性二氧化钛纳米晶在二氧化钛纳米管阵列管壁内的沉积：将上述制备好的二氧化钛纳米管阵列垂直浸泡在0.05mol/L水溶性二氧化钛溶液中，用40W功率的超声发生装置进行超声处理，处理时间为10～20秒，然后取出进行干燥，最终得到沉积有纳米晶的二氧化钛纳米管阵列。

本发明方法的特点及原理如下所述：本发明采用超声法将分散在溶液中的胶态纳米粒子在超声的辅助下快速沉积到二氧化钛纳米管阵列的管壁，达到修饰二氧化钛纳米管阵列的目的。其原理是，在超声的条件下，纳米粒子获得大的动能，与管壁碰撞产生大的相互作用导致在管壁上的快速沉积。因为超声时间极短，没有出现纳米管阵列结构的破坏以及纳米粒子阻塞管口等后果，因而该方法是较理想的。

本发明方法的优点是：本方法简单易行，不需要任何的表面功能化处理，超声时间极短，没有出现纳米管阵列结构的破坏以及纳米粒子阻塞管口等问题。同时，研究了沉积前后二氧化钛纳米管阵列的光电流响应和光电催化甲基橙的变化，发现沉积锐钛矿型二氧化钛纳米晶后，二氧化钛纳米管阵列的光电催化和光电流响应显著增强。

附图说明

图1为本发明中阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列的扫描电镜(SEM)图。

图2为本发明中沉积二氧化纳米晶的二氧化钛纳米管阵列的扫描电镜(SEM)图。

图3为沉积二氧化钛纳米晶前后纳米管阵列光电催化降解甲基橙实验结果对比曲线图。