[发明专利]一种制备结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种制备纳米棒阵列薄膜的方法，尤其是热水环境中非晶二氧化钛纳米线自组装制备纳米棒阵列薄膜的方法。

背景技术

由于价格便宜，无毒而且原料易得、化学稳定性好，具有很强的抗光腐蚀性等原因，二氧化钛在光催化、光电催化、薄膜太阳能电池、气体传感器等能源与环境领域有着广泛的应用。纳米结构二氧化钛由于具有合适的禁带宽度，在紫外光照射下，其光催化活性、降解有机物的深度与选择性和光量子产率均较一般二氧化钛有较大的提高。与零维纳米颗粒相比，纳米线、纳米棒、纳米管等一维纳米结构具有较高的比表面积，更好的空间电荷分离效应。提高一维纳米结构的结晶度能为电荷转移提供更快速、直接的路径，大大减少电子空穴的复合率，从而有效提高其光电性能。目前，已有科研工作者利用水热法在导电玻璃基板上得到分布较为完整的二氧化钛纳米棒阵列；例如CN1740392公开了一种双氧水直接氧化钛金属技术，在低温温和条件下在金属钛表面制备定向排列二氧化钛纳米棒阵列。但上述方法中，后续热处理会引起晶粒长大及比表面积下降现象。对纳米棒尺寸的调控也有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、结晶良好、尺寸可控的制备结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的方法。

   本发明的制备结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的方法，其步骤如下：

1）将质量百分比浓度为50～55%的氢氟酸、质量百分比浓度为65～68%的硝酸与去离子水按体积比1：3：6混合，得酸洗液；

2）在质量百分比浓度为20～30%的双氧水溶液中添加0.34～0.45摩尔/升的硝酸和0.016～0.024摩尔/升的三聚氰胺，得到反应液；

3）将金属钛基板在上述酸洗液中清洗后，再用去离子水超声波清洗，然后浸入步骤2）反应液中于60～80℃下反应60～72小时，得到二氧化钛纳米线阵列薄膜。

4）将反应后的钛基板取出，用去离子水清洗后，置于60～80℃热水中，用盐酸调节热水pH值到1.3～4.0，反应20～72小时后取出，用去离子水清洗，干燥，得到结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜。

本发明中，随热水pH值和反应时间不同，可以调节二氧化钛纳米棒的长度和直径。

本发明方法简便易行，完全避免了后续热处理过程引起的晶粒长大及比表面积下降现象，制备过程不需要模板和催化剂，无污染，成本低，得到的薄膜与钛基板结合牢固，结晶度好，光催化活性高，可广泛应用在光催化、光电催化、薄膜太阳能电池、气体传感器、生物材料等众多领域。

附图说明

图1为实施例1制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的场发射扫描电子显微镜照片，其中（a）为10000倍，（b）为50000倍；

图2为实施例2制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的场发射扫描电子显微镜照片，其中（a）为10000倍，（b）为50000倍；

图3为实施例2制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的X射线衍射图，图中A：锐钛矿；R：金红石；Ti：钛；

图4为实施例3制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的场发射扫描电子显微镜照片；

图5为实施例4制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的场发射扫描电子显微镜照片；

图6为实施例4制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的X射线衍射图，图中A：锐钛矿；R：金红石；Ti：钛；

图7为实施例5制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜场发射扫描电子显微镜照片；

图8为实施例6制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的场发射扫描电子显微镜照片；

图9为实施例7制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的高倍场发射扫描电子显微镜照片，其中（a）为侧视图，（b）为俯视图；

图10为实施例8制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜的高倍场发射扫描电子显微镜照片，其中（a）为侧视图，（b）为俯视图；

图11为实施例2制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜辅助光催化降解水中罗丹明B浓度随时间的变化曲线；

图12为实施例4制备的结晶二氧化钛纳米棒阵列薄膜辅助光催化降解水中罗丹明B浓度随时间的变化曲线。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明。但本发明不仅仅局限于下述实施例。

实施例1 

1）将质量百分比浓度为55%的氢氟酸、质量百分比浓度为65%的硝酸与去离子水按体积比1：3：6的比例混合，得酸洗液。