[发明专利]一种锐钛矿TiO2纳米管薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种TiO₂薄膜的制备方法，尤其涉及一种锐钛矿TiO₂纳米管薄膜的制备方法。

背景技术

TiO₂纳米管由于具有独特的管状结构和较大的比表面积，在诸如光催化、光电催化、薄膜太阳能电池、气体传感器等涉及表面反应以及载流子迁移的应用具备优异的性能。然而就中空纳米管结构TiO₂而言，已有的制备技术或者涉及模板合成、或者需要外加电场阳极氧化，以及高温高压生产的排列无序的纳米管，产业化成本较高。例如，发明专利CN201310497349.6公开了一种将TiO₂纳米球粉体和多羟基有机物加入氢氧化钠溶液中，经水热反应，酸交换和后续煅烧处理得到锐钛矿TiO₂纳米管的技术；发明专利CN200910071457.0公开了一种电化学阳极氧化法制备TiO₂纳米管薄膜的技术；发明专利CN201310223306.9公开了一种利用Ti丝，通过电化学阳极氧化法制备TiO₂纳米管薄膜，然后在TiO₂颗粒溶液中蘸取后高温煅烧，得到TiO₂纳米颗粒/TiO₂纳米管的方法。

发明内容

本发明提供了一种无需反应模板和外加电场、简单易行成本低的锐钛矿TiO₂纳米管薄膜的制备方法。

本发明通过钛酸纳米线在硫酸溶液中溶解沉积自组装制备锐钛矿TiO₂纳米管薄膜，并且可通过调节硫酸处理时间调控纳米管的壁厚。其主要步骤如下：

1）将金属钛板清洗干净，然后浸入浓度为10～2.0mol/L的氢氧化钠溶液中200～220°C下反应12~24小时；

2）将反应后的钛片取出冷却至室温，用去离子水冲洗后，经过超声振荡5～10min后用pH=1.0的盐酸进行酸交换。优选地，酸交换处理2小时。

3）然后置于80 °C热水中，用硫酸调节pH值到1.5~2.5，反应24～72小时后取出，用去离子水冲洗，干燥，即可得到锐钛矿TiO₂纳米管薄膜。

本发明中，步骤3）中用硫酸调节pH值是关键，即最终硫酸溶液浓度很关键：浓度过高，钛酸纳米线薄膜以溶解过程为主，不能在钛片表面形成薄膜；浓度过低，则溶解过程不显著，不足以完成溶解重组过程以在钛片表面形成纳米管阵列薄膜，钛酸纳米线薄膜形貌大致保持不变。本发明中硫酸溶液浓度为pH=2时效果最佳。

本发明将碱热法得到的钛酸纳米线薄膜直接浸入硫酸溶液中处理后，氢钛酸纳米线溶解并直接重组为结晶良好的锐钛矿TiO₂纳米管阵列薄膜，并且其光催化活性显著高于碱热法结合后续热处理得到的锐钛矿TiO₂纳米线薄膜。本发明的方法无需反应模板，无需外加电场，简单易行，重复性好，制备成本低便于推广。

附图说明

图1为实施例1制备的覆盖在钛片表面的钛酸纳米线薄膜的场发射扫描电子显微镜图片；

图2为实施例1制备的覆盖在钛片表面的钛酸纳米线薄膜的X射线衍射图，X射线衍射图中，H₂Ti₅O₁₁·H₂O，H₂Ti₄O₉·H₂O：氢钛酸，Ti：钛；

图3为实施例1制备的覆盖在钛片表面的TiO₂纳米管薄膜的低倍场发射扫描电子显微镜图片；

图4为实施例1制备的覆盖在钛片表面的TiO₂纳米管薄膜的高倍场发射扫描电子显微镜图片；

图5为实施例2制备的覆盖在钛片表面的TiO₂纳米管薄膜的低倍场发射扫描电子显微镜图片；

图6为实施例2制备的覆盖在钛片表面的TiO₂纳米管薄膜的高倍场发射扫描电子显微镜图片；

图7为实施例2制备的覆盖在钛片表面的TiO₂纳米管薄膜的X射线衍射图，X射线衍射图中，H₂Ti₄O₉·H₂O：氢钛酸，A：锐钛矿，Ti：钛；

图8为实施例3制备的覆盖在钛片表面的TiO₂纳米管薄膜的低倍场发射扫描电子显微镜图片；