[发明专利]钛金属表面结构可控多层钛酸盐自组装聚集体薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛酸盐纳米管薄膜的制备方法，具体涉及以下四个过程：(1)钛金属的水合和碱性钛酸盐水凝胶的生成；(2)碱性钛酸盐水凝胶分解并形成层状Na₂Ti₃O₇；(3)层状Na₂Ti₃O₇的生长；(4)层状Na₂Ti₃O₇的劈裂和多层卷曲成轴形成纳米管，制备具有中空结构和多壁管的钛酸盐纳米管薄膜的新方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，纳米科学也越来越多的应用到各种行业和现实生活当中。钛酸盐纳米管薄膜作为一种新型的绿色纳米功能材料，其在压电、铁电以及空气净化剂、光催化、清洁能源的储存或转化等领域中潜在的应用前景受到人们的普遍关注。探索新型钛酸盐材料的合成新工艺。

近几年来，钛酸盐晶须和纳米管的水热合成被广泛研究。以廉价的偏钛酸或工业级二氧化钛为原料，采用低温水热的方法制备出一系列钛酸盐或钛酸盐纳米管(公开号：1378977A，CN 102161504)。目前以金属钛为钛源在强碱条件下直接合成均匀的钛酸盐纳米管薄膜还未见专利报道。

本发明采用钛金属片为底物，采用低温水热方法，制备出均一稳定的多层钛酸盐纳米管薄膜。克服了烧结法制备工艺造成的颗粒大，形貌不可控制的缺点。该方法可制备出高纯度、薄膜厚度约为9μm的钛酸盐纳米管薄膜，相邻层间距约0.78nm，结合比表面积大与钛酸盐自身的催化特性，该产品有望在催化领域得到广泛的应用；产品稳定性也得到大幅度提高；由于钛酸盐中的钠离子可以和多种金属离子发生离子交换，可制备出新型电池材料、压电材料和储氢材料等。

发明内容

本发明通过以下技术方案实施：

本发明目的是提供一种表面结构可控多层钛酸盐纳米管薄膜制备的新方法，该制备方法简单、产品纯度高，此钛酸盐纳米管为中空多壁管，外径为6-8nm、内径为4-6nm，中心不对称，相邻层间距约0.78nm，并且组成的薄膜具有良好的稳定性。

该结构可控多层钛酸盐纳米管薄膜的具体制备方法如下：

实施例案1：多层钛酸盐纳米管薄膜的制备

(1)将规格为10mm*10mm*1mm的钛金属片打磨至表面无划痕，然后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗。

(2)将步骤(1)处理的钛金属片浸泡在60mL 10mol/L NaOH溶液中，放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，于140℃水热条件下反应24h。

(3)反应结束后，反应釜自然冷却至室温，然后取出反应后钛金属片和溶液。

(4)先采用5mol/L的NaOH溶液对反应后钛金属片进行洗涤，然后逐渐过渡为pH＝7的去离子水，将其洗涤至中性。室温下干燥，获得多层钛酸盐纳米管薄膜。

实施例案2：由形貌均一纳米管组成钛酸盐薄膜的制备

(1)将规格为100mm*100mm*1mm的钛金属片处理，方法同实施例1。

(2)将步骤(1)处理的钛金属片浸泡在500mL 10mol/L NaOH溶液中，放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，于140℃水热条件下反应12h。

(3)反应结束后，使反应釜自然冷却至100℃时，然后取出反应后钛金属片和溶液。

(4)先采用5mol/L的NaOH溶液对反应后钛金属片进行洗涤，然后逐渐过渡为pH＝7的去离子水，将其洗涤至中性，室温下干燥，获得表面致密的多层纳米钛酸盐薄膜。

实施例案3：由海胆状(平均粒径约1μm)自组装聚集体组成钛酸盐薄膜的制备

(1)钛金属片处理，方法同实施例1。

(2)反应条件同实施例2中步骤(2)。

(3)反应结束后，使反应釜自然冷却至80℃时，然后取出钛金属片和溶液。

(4)先采用5mol/L的NaOH溶液对反应后钛金属片进行洗涤，然后逐渐过渡为pH＝7的去离子水，将其洗涤至中性，室温下干燥，获得表面致密的多层纳米钛酸盐薄膜。

实施例案4：由纳米带所组成钛酸盐薄膜的制备

(1)将钛金属片处理，方法同实施例1。

(2)将步骤(1)处理的钛金属片浸泡在500mL 5mol/L NaOH溶液中，放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，于140℃水热条件下反应12h。

(3)反应结束后，使反应釜自然冷却至100℃时，然后取出反应后钛金属片和溶液。