CN101891245A - 低温制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法 - Google Patents

低温制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法，适合二氧化钛纳米棒阵列材料的制备。包括以下步骤，清洗基片、去氧化层、配制反应溶液、加热反应、冷却、洗涤。本发明反应成本低、反应过程中的各种参数(温度、压力等)易于监测和控制、环境污染少、产物洁净。

Description

低温制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法
技术领域
本发明属于二氧化钛纳米材料的制备方法，具体的说，涉及一种低温条件下制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法。
背景技术
二氧化钛纳米材料是一种重要的无机功能材料，具有良好的光电、光敏、气敏、压敏等特性，在太阳能的储存与利用、光电转换、光致变色、锂离子电池材料及光催化降解大气和水中的污染物等方面具有广阔的应用前景，已成为国内外竞相研究的热点。目前，以二氧化钛纳米粉和纳米膜的研究较为普遍。由于二氧化钛的性能与其比表面密切相关，因此制备得到二氧化钛纳米管和纳米棒等一维结构能提高比表面积和表面能进而提高工作效率。就目前的研究报道，对二氧化钛纳米管阵列居多，而二氧化钛纳米棒阵列相对较少。并且，许多关于二氧化钛纳米棒阵列的合成方法，要么是使用了模板，要么就涉及了复杂的工序和表面活性剂的添加。
因此，研究和探索一种新型的操作简单、成本低廉、易于推广的有效合成二氧化钛纳米棒阵列的方法十分必要。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种低温条件下，利用酸性溶剂来合成二氧化钛纳米棒阵列的方法。
一种低温制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法，包括以下步骤：
步骤1、选取钛基片，先清洗、后去除钛基片的表面氧化层待用；
步骤2、配置反应溶剂，配制质量浓度1％～13％的盐酸溶液；
步骤3、加热反应，取步骤2的反应溶剂，置入反应容器中，再加入步骤1的钛基片浸入反应溶剂中，密闭，然后在100～300℃温度下恒温加热1～100小时；反应如下：
Ti+4HCl→TiCl4+2H2，
TiCl4+3H2O→H2TiO3↓+4HCl，
Figure BSA00000194320400021
步骤4、将步骤3反应后的钛基片冷却、洗涤后钛基片表面得到了二氧化钛纳米棒阵列材料。
上述步骤1中钛基片的清洗，是将钛基片在酒精和丙酮的混合溶液中超声10分钟，用去离子水冲洗。清洗是为了去除钛基片表面的有机物、油污等杂质。
上述步骤1中钛基片去除氧化层，是将钛基片放入7％～18％的盐酸溶液中，保持65～95℃加热10分钟，用去离子水冲洗、烘干。
上述步骤4中洗涤，将冷却后的钛基片去离子水冲洗3～5次，即可得到二氧化钛纳米棒阵列材料。
上述步骤3中的反应容器为对酸性溶剂具有惰性的有机聚合物制备容器或贵金属容器。
上述步骤3中的加热设备为马弗炉或电阻炉或烘箱。
有益效果：
1、成本低。酸性溶剂法合成二氧化钛纳米棒阵列材料只需在常压下进行化学合成，合成温度在100～300℃，不需要高压或高温反应体系；而且所用的原料为钛基片，溶剂为盐酸溶液，因为是一步合成，即原料和反应溶剂一次加入反应器后置入恒温炉内加温反应，操作程序简单，合成过程中可控参数较少，合成成本低。
2、反应过程中的各种参数(温度、压力等)易于监测和控制，这使我们能够更容易研究反应机理，找出最关键的影响因素，为我们有效控制晶粒尺寸提供了工艺基础。
3、环境污染少。与其他合成方法相比，本发明合成过程中因为没有引入表面活性剂或模板剂，可以基本上消除污染，有利于环境保护。
4、产物洁净。本发明合成过程中因为没有引入表面活性剂或模板剂，纳米晶体材料的表面洁净，适合对其进行本征性能的研究和最大限度发挥纳米晶体材料的功能，同时也容易进行表面改性。
附图说明
图1是本发明方法制备的二氧化钛纳米棒阵列的X-射线衍射图；
图2是本发明方法制备的二氧化钛纳米棒阵列的扫描电镜图；
图3是本发明方法制备的二氧化钛纳米棒阵列的反射光谱；
图4是本发明方法制备的二氧化钛纳米棒阵列对紫外光的电流响应曲线；
图5是本发明方法制备的二氧化钛纳米棒阵列作为铂催化剂载体的扫描电镜图；
图6是酸性环境下本发明方法制备的二氧化钛纳米棒阵列负载铂催化剂对乙醇的氧化；
图7是碱性环境下本发明方法制备的二氧化钛纳米棒阵列负载铂催化剂对乙醇的氧化。
具体实施方式
实施例1
低温二氧化钛纳米棒阵列的具体合成方法
合成二氧化钛纳米棒阵列材料的原料是盐酸(HCl)、钛基片(Ti)发生的反应如下：
Ti+4HCl→TiCl4+2H2，
TiCl4+3H2O→H2TiO3↓+4HCl，
Figure BSA00000194320400041
具体操作步骤如下：
步骤1、钛基片的清洗，将钛基片在酒精和丙酮体积比为1∶1的混合溶液中超声10分钟，用去离子水冲洗；
步骤2、钛基片去氧化层，将钛基片放入7％的盐酸溶液中，在水浴加热器中保持95℃加热10分钟，用去离子水冲洗，最后烘干待用；
步骤3、配制反应溶剂，将盐酸溶于适量水中，控制溶液浓度为1％；
步骤4、加热反应，取适量步骤3的反应溶剂，置入反应容器中，控制在容器容积的20％，加入步骤2的钛基片，加盖封闭，然后将反应容器放入已经加热到300℃的加热设备中，并在该温度下恒温加热1小时，然后将恒温反应后的反应容器冷却至室温，从反应容器中取出钛基片，去离子水冲洗3次，即可得到二氧化钛纳米棒阵列材料。
实施例2
低温二氧化钛纳米棒阵列的具体合成方法
合成二氧化钛纳米棒阵列材料的原料是盐酸(HCl)、钛基片(Ti)发生的反应如下：
Ti+4HCl→TiCl4+2H2，
TiCl4+3H2O→H2TiO3↓+4HCl，
Figure BSA00000194320400051
具体操作步骤如下：
步骤1、钛基片的清洗，将钛基片在酒精和丙酮体积比为1∶1的混合溶液中超声10分钟，用去离子水冲洗；
步骤2、钛基片去氧化层，将钛基片放入18％的盐酸溶液中，在水浴加热器中保持65℃加热10分钟，用去离子水冲洗，最后烘干待用；
步骤3、配制反应溶剂，将盐酸溶于适量水中，控制溶液浓度为13％；
步骤4、加热反应，取适量步骤3的反应溶剂，置入反应容器中，控制在容器容积的30％，加入步骤2的钛基片，加盖封闭，然后将反应容器放入已经加热到100℃的加热设备中，并在该温度下恒温加热100小时；然后将恒温反应后的反应容器冷却至室温，从反应容器中取出钛基片，去离子水冲洗5次，即可得到二氧化钛纳米棒阵列材料。
实施例3
低温二氧化钛纳米棒阵列的具体合成方法
合成二氧化钛纳米棒阵列材料的原料是盐酸(HCl)、钛基片(Ti)发生的反应如下：
Ti+4HCl→TiCl4+2H2，
TiCl4+3H2O→H2TiO3↓+4HCl，
Figure BSA00000194320400061
具体操作步骤如下：
步骤1、钛基片的清洗，将钛基片在酒精和丙酮体积比为1∶1的混合溶液中超声10分钟，用去离子水冲洗；
步骤2、钛基片去氧化层，将钛基片放入10％的盐酸溶液中，在水浴加热器中保持80℃加热10分钟，用去离子水冲洗，最后烘干待用；
步骤3、配制反应溶剂，将盐酸溶于适量水中，控制溶液浓度为7％；
步骤4、加热反应，取适量步骤3的反应溶剂，置入反应容器中，控制在容器容积的25％，加入步骤2的钛基片，加盖封闭，然后将反应容器放入已经加热到200℃的加热设备中，并在该温度下恒温加热50小时；然后将恒温反应后的反应容器冷却至室温，从反应容器中取出钛基片，去离子水冲洗4次，即可得到二氧化钛纳米棒阵列材料。
将实施例1、2、3所得二氧化钛纳米棒阵列材料进行检测。如图1给出X-射线衍射(XRD)结果，它表明合成产物为金红石相二氧化钛；扫描电子显微镜(图2)观察表明，实验制得的二氧化钛纳米棒的直径为50-100纳米、长度为400-500纳米，且带有锥形端头；图3表明本发明方法制备的二氧化钛纳米棒阵列在380纳米处有吸收带边，证明该材料对紫外光敏感；图4表明本发明方法制备的二氧化钛纳米棒阵列对紫外光的响应非常迅速，响应时间约为0.35秒；图5为二氧化钛纳米棒阵列沉积铂的扫描电子显微镜图，沉积的铂颗粒直径约为10纳米；图6为酸性环境下二氧化钛纳米棒阵列负载铂催化剂对乙醇的氧化，图7为碱性环境下二氧化钛纳米棒阵列负载铂催化剂对乙醇的氧化，在两种环境下对乙醇都有很强的氧化。

Claims (6)

1.一种低温制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、选取钛基片，先清洗、后去除钛基片的表面氧化层待用；
步骤2、配置反应溶剂，配制质量浓度1％～13％的盐酸溶液；
步骤3、加热反应，取步骤2的反应溶剂，置入反应容器中，再加入步骤1的钛基片浸入反应溶剂中，密闭，然后在100～300℃温度下恒温加热1～100小时；
步骤4、将步骤3反应后的钛基片冷却、洗涤后钛基片表面得到了二氧化钛纳米棒阵列材料。
2.根据权利要求1所述低温制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法，其特征在于：所述步骤1中钛基片的清洗，是将钛基片在酒精和丙酮的混合溶液中超声10分钟，用去离子水冲洗。
3.根据权利要求1或2所述低温制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法，其特征在于：所述步骤1中钛基片去除氧化层，是将钛基片放入7％～18％的盐酸溶液中，保持65～95℃加热10分钟，用去离子水冲洗、烘干。
4.根据权利要求3所述低温制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法，其特征在于：所述步骤4中洗涤，将冷却后的钛基片去离子水冲洗3～5次，即可得到二氧化钛纳米棒阵列材料。
5.根据权利要求1所述的制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法，其特征在于：所述步骤3中的反应容器为对酸性溶剂具有惰性的有机聚合物制备容器或贵金属容器。
6.根据权利要求1所述的制备二氧化钛纳米棒阵列材料的方法，其特征在于：所述步骤3中的加热设备为马弗炉或电阻炉或烘箱。
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