CN101508463B - 一种制备二氧化钛纳米线阵列薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的制备二氧化钛纳米线阵列薄膜的方法，其步骤包括将氢氟酸、硝酸与去离子水混合，配得酸洗液；在双氧水溶液中添加三聚氰胺和硝酸，得反应液；金属钛板表面用酸洗液酸洗，浸没于反应液中，在60～90℃下反应60～72小时；反应后的钛板用去离子水清洗，干燥，在350～550℃保温1～2小时。本发明制备二氧化钛纳米线阵列薄膜的方法，不需要模板和催化剂，简便易行，成本低，薄膜纯净，尺寸排列规整，结晶理想，比表面积大，与基体结合牢固。本发明制备的二氧化钛纳米线阵列薄膜在光催化、光电催化、薄膜太阳能电池、气体传感器，以及冷阴极电子发射等领域有着广泛应用。

Description

一种制备二氧化钛纳米线阵列薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种制备二氧化钛纳米线阵列的方法。

背景技术

二氧化钛薄膜在光催化、光电催化、气体传感器、薄膜太阳能电池、电致变色薄膜和场发射等领域有着广泛的潜在应用。纳米棒、纳米花、纳米管和纳米线等纳米结构的二氧化钛有序阵列薄膜具有极高的比表面积，因而在上述应用中都显示出优异的性能。此外，和普通的纳米颗粒组成的致密薄膜相比，二氧化钛纳米棒、纳米线等有序阵列薄膜具有更好的空间电荷分离效应，这对于光催化、光电催化和光电阳极等都有重要的意义。截止目前，无论是锐钛矿还是金红石相二氧化钛纳米线阵列，大多通过以下不同方法制成：阴极诱导溶胶-凝胶填充阳极氧化铝孔洞法；细菌纤维素模板法；表面活性剂辅助自组装法；带有专门设计掩模板的静电纺丝法；Ti和TiO作为前驱体的化学气相沉积法；在金催化基体上热蒸发氧气流中金属钛的气-液-固生长法或在无催化剂基体上热蒸发金属钛法。直接氧化金属钛基体也可以制备二氧化钛纳米线阵列。例如，在乙醇蒸汽中通过750℃热氧化金属钛基体得到二氧化钛纳米线；利用热碱溶液处理钛箔生成钛酸纳米线，随后经过离子交换反应和焙烧处理转变成二氧化钛纳米线等等。但是，目前还没有一种简单的、不加模板和催化剂的制备二氧化钛纳米线阵列薄膜的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、不加模板和催化剂的大面积制备二氧化钛纳米线阵列薄膜的方法。

本发明的制备二氧化钛纳米线阵列薄膜的方法，包括以下步骤：

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0.174～0.580摩尔/升的硝酸和0.0016～0.024摩尔/升的三聚氰胺，得反应液；

3)将金属钛板表面用步骤1)的酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净，然后浸没于步骤2)的反应液中，在60～90℃下反应60～72小时，；

4)反应后的钛板用去离子水清洗，干燥后，在350～550℃热处理1～2小时。

热处理前二氧化钛纳米线阵列薄膜为非晶结构；经热处理结晶成为锐钛矿结构。反应生成的二氧化钛纳米线阵列平均直径为25～30纳米，长径比大约为20～40。

本发明制备二氧化钛纳米线阵列薄膜的方法，不需要模板和催化剂，简便易行，成本低，薄膜纯净，尺寸排列规整，结晶理想，比表面积大，与基体结合牢固。本发明制备的二氧化钛纳米线阵列薄膜在光催化、光电催化、薄膜太阳能电池、气体传感器，以及冷阴极电子发射等领域有着广泛应用。

附图说明

图1为实施例1制备的表面覆盖二氧化钛纳米线阵列薄膜的钛片的低倍(a)和高倍(b)场发射扫描电子显微镜照片；

图2为实施例1制备的表面覆盖二氧化钛纳米线阵列薄膜的X-射线衍射图，图中，A：锐钛矿，S：锆钛矿，Ti：钛；

图3为实施例2制备的表面覆盖二氧化钛纳米线阵列薄膜的钛片的低倍(a)和高倍(b)场发射扫描电子显微镜照片；

图4为实施例3制备的表面覆盖二氧化钛纳米线阵列薄膜的钛片的低倍(a)和高倍(b)场发射扫描电子显微镜照片；

图5为实施例4制备的表面覆盖二氧化钛纳米线阵列薄膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图6为实施例5制备的表面覆盖二氧化钛纳米线阵列薄膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图7为实施例6制备的表面覆盖二氧化钛纳米线阵列薄膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；

图8为实施例7制备的表面覆盖二氧化钛纳米线阵列薄膜的钛片的场发射扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明方法。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。

2)在50毫升质量百分比浓度为30％双氧水溶液中依次添加0.0145摩尔的硝酸和0.00012摩尔的三聚氰胺，得反应液。

3)将尺寸为5×5×0.01(cm³)金属钛板表面用上述酸洗液在60℃温度下酸洗，而后用去离子水在超声波中清洗干净。将清洗干净的金属钛板浸没于50毫升反应液中，在80℃下反应72小时。

4)反应后的钛板用去离子水轻轻冲洗，干燥后置于马弗炉中450℃保温1小时。

反应结果：

钛板表面均匀生成如图1所示的二氧化钛纳米线阵列薄膜，纳米线的平均直径为25纳米，长径比大约为40，排列规整。图2显示，纳米线的晶体结构主要为锐钛矿结构，结晶理想。

实施例2

1)同实施例1。

2)在50毫升质量百分比浓度为30％双氧水溶液中依次添加0.00870摩尔的硝酸和0.00012摩尔的三聚氰胺，得反应液。

3)同实施例1。

4)反应后的钛板用去离子水轻轻冲洗，干燥后置于马弗炉中550℃保温1小时。

反应结果：

钛板表面均匀生成如图3所示的二氧化钛纳米线阵列薄膜，纳米线阵列的平均直径为25纳米，长径比大约为25。

实施例3

1)同实施例1。

2)在50毫升质量百分比浓度为30％双氧水溶液中依次添加0.0290摩尔的硝酸和0.00012摩尔的三聚氰胺，得反应液。

3)同实施例1。

4)反应后的钛板用去离子水轻轻冲洗，干燥后置于马弗炉中350℃保温1小时。

反应结果：

二氧化钛纳米线阵列的顶部均匀分散着少量尺寸约为1微米的纳米花结构的二氧化钛团聚，如图4b所示。这种结构可以获得比纯纳米线更优的光催化性能。

实施例4

1)同实施例1。

2)在50毫升质量百分比浓度为30％双氧水溶液中依次添加0.0145摩尔的硝酸和0.000080摩尔的三聚氰胺，得反应液。

3)金属钛板表面清洗同实施例1。将清洗干净的金属钛板浸没于50毫升反应液中，在90℃下反应60小时。

4)反应后的钛板用去离子水轻轻冲洗，干燥后置于马弗炉中450℃保温2小时。

反应结果

钛板表面均匀生成如图5所示的二氧化钛纳米线阵列薄膜，纳米线直径约为30纳米，长径比为40左右。

实施例5

1)同实施例1。

2)在50毫升质量百分比浓度为20％双氧水溶液中依次添加0.0145摩尔的硝酸和0.00040摩尔的三聚氰胺，得反应液。

3)金属钛板表面清洗同实施例1。将清洗干净的金属钛板浸没于50毫升反应液中，在60℃下反应66小时。

4)同实施例1。

反应结果

钛板表面均匀生成如图6所示的二氧化钛纳米线阵列薄膜，纳米线直径约为25纳米，长径比为30左右。

实施例6

1)同实施例1。

2)在50毫升质量百分比浓度为25％双氧水溶液中依次添加0.0145摩尔的硝酸和0.00080摩尔的三聚氰胺，得反应液。

3)同实施例1。

4)同实施例1。

反应结果

钛板表面均匀生成如图7所示的二氧化钛纳米线阵列薄膜，纳米线直径约为30纳米，长径比为20左右。

实施例7

1)同实施例1。

2)在50毫升质量百分比浓度为30％双氧水溶液中依次添加0.0145摩尔的硝酸和0.0012摩尔的三聚氰胺，得反应液。

3)同实施例1。

4)同实施例1。

反应结果

钛板表面均匀生成如图8所示的二氧化钛纳米线阵列薄膜，纳米线直径约为25纳米，长径比为30左右。

Claims (1)

1.一种制备二氧化钛纳米线阵列薄膜的方法，其特征是包括以下步骤：

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0.174～0.580摩尔/升的硝酸和0.0016～0.024摩尔/升的三聚氰胺，得反应液；

3)将金属钛板表面用步骤1)的酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净，然后浸没于步骤2)的反应液中，在60～90℃下反应60～72小时；

4)反应后的钛板用去离子水清洗，干燥后，在350～550℃热处理1～2小时。

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