[发明专利]合成纯金红石型二氧化钛纳米针的一步电化学方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在室温下合成具有高的长径比的纯金红石型二氧化钛纳米针的一步电化学方法。本发明进一步涉及一种合成金红石型二氧化钛纳米针的室温法。

背景技术

二氧化钛在自然界中作为金红石、锐钛矿和板钛矿存在。金红石型二氧化钛被广泛用作紫外线防护剂、光学涂层、分束器以及防反射涂层。它也可被用作湿度传感器和高温氧气传感器。

已有多种合成方法记录了TiO₂纳米颗粒的相形成和形态的控制。通常，这些合成路线会导致锐钛矿和金红石多晶型物的混合物。

金红石型TiO₂粉末通常是通过在高于450℃下将锐钛矿相变为金红石或者通过火焰氧化TiCl₄获得。这些方法会导致具有较低的表面/体积比的较大的二氧化钛颗粒。在一些申请中，控制金红石型二氧化钛颗粒的相和尺寸的替代方法包括与前体一起使用其他矿化剂和无机添加剂如SnCl₄、NH₄Cl、NaCl或者SnO₂，其难以除去并在一些应用中产生不良影响。不采用任何无机添加剂可控的合成结晶金红石型纳米TiO₂需要较高的温度，这将导致微晶尺寸的增加。在酸性条件下通过水热合成路线低温制备具有较高比表面积的纳米-金红石型TiO₂是可行的。但是，该方法非常耗时，需要约2-3天，并且产率很低。

由Northeastern University公开于2008年10月23日、题为“Titania Nanotubes Prepared By Anodization In Chloride-Containing Electrolytes”的WO2008127508公开了一种在Ti箔的表面制备二氧化钛纳米管的方法，导致具有约25nm直径以及高的长径比的二氧化钛纳米管的快速形成，这可使其形成束和紧密堆积的平行阵列。该申请公开了采用Ti箔作为阳极、铂棒作为阴极以及包括氯离子的电解液，该反应在室温下、pH范围为1至7的条件下进行。但是实施例4涉及TiO₂纳米管的X-射线衍射，其中所合成的样品在煅烧之前是无定形的并且煅烧后的样品以锐钛矿为主、带有痕量的金红石。

Nakayam等人在“Anodic formation of high aspect ratio titania nanotubes”，ESC Meeting Abstracts 502，819(2006)中报道了一种制备锐钛矿型TiO₂的阳极氧化法，通过Nakayama等人的方法形成的材料是纳米管。该纳米管形成于Ti箔的表面上。

Juha-Pekka等人在Journal of crystal growth 2007，第34卷，第1期，179-183，题为“The effect of acidity in low-temperature synthesis of titanium dioxide”的文章中公开了通过改良的低温醇盐法制备结晶二氧化钛粉末。他们进一步指出较低的酸性促进锐钛矿相的形成，而在较高量的酸的情况下形成的最终相为金红石。

Aruna等人在Journal of Materials Science 2000，10，2388-2391以及Zhang等人在Langmuir 2003，19，967-971题为“Preparation of Oxide Nanocrystals with Tunable Morphologies by the Moderate Hydrothermal Method：Insights from Rutile”中分别通过水热和热水解异丙醇钛(IV)(Ti[OCH(CH₃)₂])和氯化钛(IV)(TiCl₄)制备纳米尺寸的金红石型二氧化钛。