[发明专利]Magnéli相氧化钛纳米线阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及Magnéli相亚氧化钛纳米线阵列及其制备方法，属纳米材料科学领域。

背景技术

Magnéli相氧化钛是一系列非化学计量比钛氧化物的通称，其通式可表述为Ti_nO_2n-1 (4≤n≤9)，包括Ti₄O₇, Ti₅O₉，Ti₆O₁₁，Ti₇O₁₃，Ti₈O₁₅，Ti₉O₁₇等化合物。Magnéli相氧化钛并非二氧化钛的掺杂物或者TiO_x(x < 2)的混合物，而是晶体结构稳定的非化学计量比钛氧化物。Ti_nO_2n-1晶体结构可以看做是以金红石型二氧化钛为母体，每n层为一个氧缺失层所构成。由于其独特的晶体结构，使其表现出完全不同于二氧化钛的物理、化学和电化学性能，包括类金属的高电导率、极强抗酸碱化学稳定性以及优秀的电化学稳定性。可用于电池电极材料和电池导电填充材料、催化剂载体材料以及电极支撑材料。

Keith Ellis等在文章中报道[J.Power Sources, 2004，36, 336–371]，Magnéli相氧化钛替代碳材料做双极板铅酸蓄电池的极板材料，不仅提高了活性物质的利用率，还使整个铅酸电池的重量和体积得到改善，对一个输出电压为36 V的普通车载铅酸电池的实验结果表明，与碳材料双极板铅酸蓄电池相比，Magnéli相氧化钛材料极板铅酸蓄电池比碳材料极板铅酸蓄电池重量减轻了约40％，体积节省超过30％。W.J. Macklin等将 Magnéli相氧化钛材料应用于聚合物电解质锂电池导电添加剂材料，避免了由碳材料作导电添加剂时在循环充放电过程中锂离子不可逆嵌入碳材料导致电池容量的损失 [Solid State Ionics,1992, 694,53-56]。Lj. M. Vracar报道用[J. Electroanal. Chem. 2006, 587, 99-107] Magnéli相氧化钛材料作铂催化剂载体，在0.5 mol/L的高氯酸溶液中对催化剂性能的测试表明催化剂氧还原活性相对多晶铂提高了10倍。T. Ioroi等[Electrochem.Commun.,2005, 7, 183-188] 对 Magnéli氧化钛作为聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）催化剂载体进行了研究。研究结果表明，在80 ℃的PEMFC运行环境中，当电位高于1.0 V (vs. RHE)时，Magnéli氧化钛载体的阳极腐蚀电流明显低于商业铂碳催化剂，这意味着在实际的PEMFC运行环境中， Magnéli相氧化钛载体比碳载体具有更好的抗氧化腐蚀能力。

在光催化降解有机物和光电催化电解水方面，二氧化钛作为一种非常理想的材料已被广泛研究，但二氧化钛属于宽禁带半导体，即使禁带宽度最小的锐钛矿结构，其禁带宽度也达到3.0 eV，仅对波长小于400 nm的紫外光有较强的吸收，对占波长大于400 nm光波几乎不吸收，无法有效利用自然光。Magnéli相氧化钛由于氧空位层的存在，使其能带结构发生变化，导致其禁带宽度大大减小，使其在整个紫外-可见光范围内都有很强的吸收。Han Weiqiang等[Appl. Phys. Lett.,2008, 92, 203117]通过氢气氛围高温还原H₂Ti₃O₇纳米线获得准一维Magnéli相氧化钛纳米线，并对其紫外可见光吸收谱进行测试，实验结果表明Magnéli相氧化钛在这个200 nm-900 nm 范围内都有很强的吸收，吸收峰值约在550 nm左右，在可见光的吸收和利用方面有很大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术制备具有纳米结构的Magnéli相氧化钛存在的困难，提供Magnéli相氧化钛纳米线阵列及其制备方法。

本发明所述制备方法为一步直接在钛金属表面制备Magnéli相氧化钛纳米线阵列的方法，即 Magnéli相氧化钛纳米线阵列的制备方法，包括以下步骤：

（1）将金属钛表面先后用丙酮和去离子水超声清洗，再浸入刻蚀液中浸渍刻蚀，然后用去离子水超声清洗，干燥，得到表面洁净的金属钛；