[发明专利]大面积有序皮芯结构二氧化钛纳米管薄膜光催化剂的制备方法及其应用

说明书

【技术领域】

本发明涉及光催化剂材料，尤其涉及一种大面积有序皮芯结构二氧化钛纳米管薄膜光催化剂的制备方法及其应用。

【背景技术】

由于环境污染程度已经超出了自然净化能力的极限，环境污染问题成为当前影响人类生存和发展的重大问题之一。作为净化空气中和水中染污物的高效方法，半导体光催化技术成了目前环境染污治理领域的研究热点。

半导体光催化技术的研究重点是研制性能良好的光催化剂材料。已有的研究结果表明，纳米TiO₂的光催材料具有诸多优点：成本低、无毒害、极大比表面、可掺杂、可敏化、稳定性好且催化机理研究深入，是最具应用前景的光催化材料。

现有制备纳米TiO₂光催化剂的主要技术包括：水热法，溶胶-凝胶法，电化学阳极氧化法，气相法。应用上述制备方法，得到了纳米颗粒、纳米线、纳米管和纳米薄膜结构的纳米TiO₂的光催剂材料，其中TiO₂纳米管光催剂材料因为其良好的结构特征，表现出了极好的光催化性能。但利用上述的制备技术，还不能满足实际应用要求，主要的不足之处在于：(1)制备得到的材料结构和尺寸可控性不高，(2)不能大批量制备，(3)制备得到的光催化剂材料的结构和性能不易进一步调制，影响催化效率的提高，(4)得到的纳米结构的TiO₂都需要进一步固化在其它负载材料上才能进行应用。

【发明内容】

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种无需固化，可大面积制备大面积有序皮芯结构二氧化钛纳米管薄膜光催化剂材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大面积有序皮芯结构二氧化钛纳米管薄膜光催化剂材料的制备方法，包括以下步骤：提供一可拉出有序纳米管薄膜的碳纳米管阵列；从碳纳米管阵列中拉出碳纳米管有序薄膜；把碳纳米管有序薄膜放在起支撑作用的基底上，或者使其悬空固定碳纳米管有序薄膜的周边；把碳纳米管有序薄膜放入反应器中，通过物理气相沉积或者化学气相沉积方法，在有序碳纳米管薄膜中的碳纳米管外面包裹一层二氧化钛壳层材料，形成中间是碳纳米管、外壳层是二氧化钛纳米管的皮芯结构纳米管薄膜。

其中，所用的碳纳米管薄膜是从碳纳米管阵列中拉出来的有序的连续薄膜。

其中，拉出的碳纳米管有序薄膜可以在基底上放置一层，也可以是多层；碳纳米管有序薄膜是多层，每层的方向可以不同，形成编织结构。

其中，物理气相沉积方法为真空蒸发、真空溅射或真空离子镀膜。

其中，化学气相沉积时的反应温度范围为200℃-1200℃。

其中，物理气相沉积方法所用的靶材是钛靶或者是二氧化钛靶。

其中，靶材是钛靶时，在碳纳米管薄膜外层沉积完钛层后，需要进一步中氧化处理，得到二氧化钛纳米管。

其中，制备得到的皮芯结构纳米管薄膜可以从基底上剥离下来应用。

本发明还提供另一种大面积有序皮芯结构二氧化钛纳米管薄膜光催化剂材料的制备方法，其包括以下步骤：提供一可拉出有序纳米管薄膜的碳纳米管阵列；从碳纳米管阵列中拉出碳纳米管有序薄膜，并在拉出的碳纳米管有序薄膜上直接喷涂二氧化钛纳米颗粒，形成内层是碳纳米管、外层是二氧化钛纳米颗粒的纳米管薄膜。

本发明还提供一种大面积有序皮芯结构二氧化钛纳米管薄膜光催化剂材料的应用，由于皮芯结构纳米管薄膜中的碳纳米管具有导电性，在光催化过程中，给皮芯结构纳米管薄膜施加一个正的偏压，使其中的光生电子能够有效分离，可提高光催化的效率。

从以上技术方案可以看出，本发明是以连续碳纳米管薄膜为模板进行二氧化钛纳米管光催化剂材料的制备，碳纳米管本身有良好的物理化学性质：它的抗拉伸强度达到50～200Gpa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6；根据结构的不同，碳纳米管即可以表现出半导体性质，可以表现出导体性质，当表现导体性时其电导率通常可达铜的1万倍；碳纳米管具有良好的传热性能，沿着长度方向的热交换性能是目前已知材料中最高的；碳纳米管的管径一般为2～20nm，但长度可以达到mm量级，管身由六边形碳环微结构单元组成，具有完美的晶体结构。而我们采用的连续碳纳米管薄膜，有面积大、管径长等突出特点。

因此，将二氧化钛纳米管薄膜附在连续的碳纳米管薄膜上解决了固化问题，便于使用。而且由于碳纳米管薄膜具有良好的物理化学性质，制备得到的皮芯结构纳米管薄膜的结构和尺寸便于控制且不能大批量制备。