[发明专利]一种环境功能纳米材料—Cu-Fe/TiO2纳米管阵列及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于应用光催化领域，涉及一种新颖、高效环境功能纳米材料--Cu-Fe/TiO₂纳米管阵列的制备新方法。

背景技术

阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列，具有比表面积大，孔径可调等优良特性，其特殊的纳米管状结构，已成为各国科学领域的研究热点。阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列的电解液通常无机水溶液体系，由于各种离子在水溶液中迁移速度相对较快，电化学阳极氧化的速度也快速，可在比较短的时间内形成纳米管阵列。但施加的阳极氧化电压一般只能在10～25V的范围内，超出此电压范围就不能形成纳米管状结构，这同时在一定程度上限制了纳米管的管径，而且在水溶液体系中制备的纳米管管壁较薄，容易破损。200410021589.X公开了一种高长径比二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其电解液的溶质为氟化物和支持电解质，溶剂为水，并加入醇类添加剂，在3～50V电压条件下电解，这种纳米管管子仍较短，只有250纳米长，比表面积不够大，且只能吸收紫外光区的光，不能充分利用自然界太阳光。目前，国内外还没有多种元素同时修饰阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可进一步增强二氧化钛纳米管阵列的吸附能力和电子传导能力，拓宽其在可见光区的吸收范围，提高其光电转换效率的Cu-Fe-TiO₂纳米管阵列及其制备方法和应用方法。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种环境功能纳米材料-Cu-Fe/TiO₂纳米管阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)配制有机电解液：电解液由质量百分含量为0.5-3％的氢氟酸，质量百分含量为0.25-0.5％的二甲基亚砜或者NH₄F溶解于醇溶液中制备而成；

(2)在25～100V直流电压下，以纯钛或钛合金为阳极，铂片为阴极，在有机电解液中电解制备二氧化钛纳米管；

(3)在400℃-500℃有氧条件下将上述制备的二氧化钛纳米管阵列煅烧4-6h，使其晶化成TiO₂纳米管阵列；

(4)铜、铁修饰的二氧化钛纳米管阵列的制备：

将步骤(3)制备得到的TiO₂纳米管阵列置于5mmol-20mmolCuSO₄溶液中，在标准三电极体系中，采用脉冲电沉积的方法在TiO₂纳米管阵列上电沉积铜，通断比为：0.2s∶1s，-1V电压下沉积100个循环，得到Cu/TiO₂复合纳米管阵列；然后将5mmol-20mmol的FeSO₄作为电镀液，也采用脉冲电沉积的方法将铁纳米颗粒沉积在Cu-TiO₂复合纳米管的内部得到Cu-Fe/TiO₂纳米管阵列，通断比为：0.2s∶1s，-2V电压下沉积200个循环。

所述醇溶液为乙二醇或丙三醇。

所述的环境功能纳米材料-Cu-Fe/TiO₂纳米管阵列应用于有机废水的处理。

本发明在基于应用阳极氧化法制备的TiO₂纳米管阵列具有比较面积大，孔径可调等优良特性上，通过脉冲电沉积法将铜沉积在TiO₂纳米管的内部以及表面，使得Cu-TiO₂复合纳米管阵列具有了更强的吸附力和电子传导能力，而进一步通过简单易行的电化学方法将铁纳米颗粒沉积在Cu-TiO₂复合纳米管的内部，又提高了在光催化反应过程中羟基自由基的浓度。实验发现，在没有电沉积Cu的TiO₂纳米管上电沉积铁，并不能得到颗粒状的铁单质而是一层膜，没有良好的晶体结构(如图2所示)。因此，分步进行电沉积多元金属有利于得到分布均匀，呈颗粒状的光催化纳米材料。经过铁、铜修饰的TiO₂纳米管阵列，有效地扩展了TiO₂在可见光区的吸收范围，并且降低光腐蚀，提高了其光电转换效率，在光催化降解有毒有机污染物和重金属离子光还原研究中，展现出优良的光催化效率。

附图说明

图1为Cu修饰的TiO₂纳米管阵列的扫描电子显微镜图；

图2为Fe/TiO₂纳米管阵列的扫描电子显微镜图；

图3为Cu-Fe/TiO₂纳米管阵列的扫描电子显微镜图；