[发明专利]一种掺铁TiO2纳米管的制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种掺铁二氧化钛(TiO₂)纳米管的制备方法。

(二)背景技术

纳米TiO₂由于其无毒、光化学性质稳定性好、催化效率高、氧化能力强，且在实际应用中工艺流程简单、操作条件容易控制、无二次污染等优势成为一种优良的光催化材料。在众多形貌的纳米TiO₂材料中，TiO₂内米管具有比纳米粉体和纳米薄膜更大的比表面积、孔体积和更高的表面能，表现出显著的尺寸效应，同时还具有更强的吸附能力，因此表现出更高的光催化性能和光电转化效率，并且在实际光催化、气敏传感器、光解水制氢、太阳能电浊、生物材料等领域已显示出极大的应用前景。

然而由于TiO₂纳米管带隙较宽(锐钛矿可达3.2eV)，其吸收阈值为387.5nm，只能吸收紫外光，在可见光范围内基本没有响应，对太阳光利用率低(约3％～5％)；另一方面，二氧化钛光生载流子的复合率高，在ns到ps时间范围内电荷载流子就能复合。这些都是制约TiO₂纳米管大规模应用的关键因素。

李静等[铁掺杂TiO₂内米管阵列制备及其光电化学性质，电化学，第14卷第2期，2008年5月]应用电化学阳极氧化法，以Fe(NO₃)₃-HF的混合水溶液作电解液在Ti基底上制备Fe掺杂TiO₂内米管阵列。FESEM、Raman、XPS、DRS等测试表明：经Fe掺杂的TiO₂内米管阵列，管径50-90nm，管长约200nm。与未掺杂TiO₂纳米管阵列相比，前者的紫外可见起始吸收带边随着Fe掺入量的增加而红移；而光电化学性质如光电流也随之显著提高。

宋旭春等[水热法合成掺杂铁离子的小管径TiO₂内米管，无机化学学报，第19卷第8期，2003年8月]采用温和的水热法，以粒径30.3nm和41.7nm的锐钛矿相和金红石相掺铁二氧化钛纳米粉体为前驱体合成了掺铁二氧化钛纳米管，并发现金红石相掺铁二氧化钛纳米粉体为前驱体可以得到长约200nm，管径10nm左右的掺铁二氧化钛纳米管。

但是上述方法存在着制备费用高昂，不易放大实验，不适合于工业化生产得缺点。

模板合成TiO₂纳米管法由于具有直接、简单、高效等优点而成为公认的理想合成方法。所谓模板合成就是将具有纳米结构、价廉易得、形状容易控制的物质作为模板，通过物理或化学的方法将相关材料沉积到模板的孔中或表面，而后移去模板，得到具有模板规范形貌与尺寸的纳米材料的过程。但是，目前采用模板法以铁黄(α-FeOOH)为自牺牲模板，制备掺铁TiO₂纳米管的文献未曾报道。

(三)发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种掺铁二氧化钛(TiO₂)纳米管的制备方法，该方法产率高、成本低，工艺过程容易控制，对设备要求不高，适于工业化生产；并且制得的掺铁二氧化钛(TiO₂)纳米管相比于常规的纳米二氧化钛材料，光催化活性得到增强。

为解决上述技术问题，本发明利用具有稳定结构的廉价铁黄(α-FeOOH)作为自牺牲模板，在溶液反应过程中，TiO₂逐步生长在铁黄表面，形成具有一定厚度的TiO₂层，随着反应温度升至90℃，模板铁黄逐渐溶解，大量的铁离子掺杂到TiO₂的晶格中，形成具有铁黄形貌的两端闭合中空长管状结构。此外，在铁离子溶解掺杂TiO₂晶格过程中引入新电荷、形成缺陷或改变晶格类型，从而改变光生电子和空穴的运动状况，降低电子-空穴的复合率，减小TiO₂的禁带宽度，从而能拓展光谱的响应范围直至可见光区，提高太阳光的利用率。

本发明具体采用如下技术方案：

一种掺铁TiO₂纳米管的制备方法，包括如下步骤：将四氯化钛配制成水溶胶，水溶胶放置老化后再加水稀释，得到无色透明溶液；在室温条件下取铁黄加入到无色透明溶液中，将混合液逐渐加热至80～100℃并恒温水浴均匀搅拌1～3h，得到沉淀物，所得沉淀物经水洗、干燥、研磨即得所述的掺铁TiO₂纳米管；加入的铁黄中Fe与加入的四氯化钛中的Ti的物质的量比为0.5～1.5∶1。