CN101928975A - 一种快速制备氧化钛纳米管单管粉体的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速制备氧化钛纳米管单管粉体的方法，采用快速阳极法直接氧化金属钛片制备氧化钛纳米管束粉体，经超声分散后得到氧化钛纳米管单管粉体。首先，利用电化学方法将金属钛片在高氯酸水溶液中一步氧化为氧化钛纳米管束，然后采用超声分散技术裂解氧化钛纳米管束，即可得到成本低廉、工艺要求简单、重复性好、可大规模制造且具有多分散性和超细管径的氧化钛纳米管单管粉体。

Description

一种快速制备氧化钛纳米管单管粉体的方法

技术领域

本发明属于一种电化学和超声分散技术相结合快速制备具有纳米结构粉体的方法，具体涉及一种在高氯酸水溶液中快速阳极氧化制备氧化钛纳米管束，经超声分散得到氧化钛纳米管单管粉体的方法。

背景技术

一维(1-D)半导体纳米材料，尤其是纳米管状结构，近年来由于其独特的结构和性质引起了世界范围的关注和广泛研究。氧化钛作为一种宽禁带半导体，具高催化活性、低成本、良好的物理和化学稳定性等特点，其应用范围非常广泛。同时它也是一种对人类和环境友好、无毒无污染的环保型材料，原料丰富，成本低廉。相对于常规的固体材料，具有1-D结构的氧化钛纳米管已经展现出较高的光催化活性和光电转换效率，而这些性质主要是由量子效应和其巨大的比表面引起的。因此，近年来多种方法被报道用来制备氧化钛纳米管，这些方法包括直接氧化金属钛片法、模板生长法、水热法、自组装法以及溶胶-凝胶法等。

在这些制备方法中，直接阳极氧化金属钛片制备氧化钛纳米管，已经成为较为成熟的一种方法。然而，常规的阳极氧化法制备氧化钛纳米管主要是在含氟的有机电解液中让金属钛片表面缓慢的氧化为一层氧化钛纳米管阵列，制备得到纳米管往往成管束状，而且反应过程通常要消耗数小时甚至数天以上。其管束的团聚和制备的低效率成为其在光催化、光电器件、生物材料等方面应用的负面因数。

采用电化学和超声分散技术相结合快速制备的氧化钛纳米管单管粉体，在众多技术领域有着很大的应用和研究价值，尤其是在光催化，多相催化，太阳能光伏电池，气体传感器，光子晶体和生物医学等领域具有很广泛的应用前景。

发明内容

本发明的内容在于提供一种采用电化学和超声分散技术相结合快速制备氧化钛纳米管单管粉体的方法，该方法具有生产效率高、合成成本低、工艺要求简单、而且重复性好和可大规模制造等优点。

为达到上述目的，本发明采用的制备方法为：

1)将高氯酸溶解于去离子水中制成高氯酸浓度为0.15～0.5mol/L的电解液；

2)将金属钛片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗取出自然晾干待用；

3)再将清洗后的钛片夹持固定作为阳极，铂电极与其平行放置作为阴极，组成电极系统，阴极与阳极间的距离为2.5cm；

4)将步骤3)装配好的电极系统浸入步骤1)的电解液中，以直流恒压源作为电源，开路电压直接从0V调整至20～60V，反应温度控制在25～55℃，金属钛片被彻底阳极氧化得到氧化钛纳米管束的白色悬浊液；

5)将得到的氧化钛管束白色悬浊液过滤，去掉钛残片，经高速离心分离电解液得到氧化钛纳米管束，然后加入去离子水超声清洗并再次离心分离，将分离出的氧化钛纳米管束粉体在70～100℃烘干得到白色氧化钛纳米管束粉体；

6)取3～5g步骤5)得到的氧化钛纳米管束粉体加入到50ml无水乙醇中，超声振荡20～40分钟，70℃烘干去除无水乙醇后得到白色氧化钛纳米管单管粉体。

本发明是一种快速阳极氧化制备氧化钛纳米管粉体的方法，采用电化学方法将金属钛片在高氯酸水溶液中一步快速阳极氧化为氧化钛纳米管束，然后采用超声分散技术裂解氧化钛纳米管束得到氧化钛纳米管单管粉体。所制备的氧化钛纳米管单管粉体具有多分散性和超细管径的特点。在光催化和太阳能光伏器件等方面有着广泛的应用前景。

附图说明

图1和图2是本发明所制备的氧化钛纳米管粉束和氧化钛纳米管单管粉体的扫描电子显微镜图；

图3和图4是本发明所制备的氧化钛纳米管粉束和氧化钛纳米管单管粉体的透射电子显微镜图；

图5是氧化钛纳米管粉束和氧化钛纳米管单管粉体激光动态散射等效粒径分布对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：1)将高氯酸溶解于去离子水中制成高氯酸浓度为0.2mol/L的电解液；

2)将金属钛片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗取出自然晾干待用；

3)再将清洗后的钛片夹持固定作为阳极，铂电极与其平行放置作为阴极，组成电极系统，阴极与阳极间的距离为2.5cm；

4)将步骤3)装配好的电极系统浸入步骤1)的电解液中，以直流恒压源作为电源，开路电压直接从0V调整至20V，反应温度控制在25℃，金属钛片被彻底阳极氧化得到氧化钛纳米管束的白色悬浊液；

5)将得到的氧化钛管束白色悬浊液过滤，去掉钛残片，经高速离心分离电解液得到氧化钛纳米管束，然后加入去离子水超声清洗并再次离心分离，将分离出的氧化钛纳米管束粉体在70℃烘干得到白色氧化钛纳米管束粉体；

6)取3g步骤5)得到的氧化钛纳米管束粉体加入到50ml无水乙醇中，超声振荡20分钟，70℃烘干去除无水乙醇后得到白色氧化钛纳米管单管粉体。

实施例2：1)将高氯酸溶解于去离子水中制成高氯酸浓度为0.5mol/L的电解液；

2)将金属钛片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗取出自然晾干待用；

3)再将清洗后的钛片夹持固定作为阳极，铂电极与其平行放置作为阴极，组成电极系统，阴极与阳极间的距离为2.5cm；

4)将步骤3)装配好的电极系统浸入步骤1)的电解液中，以直流恒压源作为电源，开路电压直接从0V调整至40V，反应温度控制在40℃，金属钛片被彻底阳极氧化得到氧化钛纳米管束的白色悬浊液；

5)将得到的氧化钛管束白色悬浊液过滤，去掉钛残片，经高速离心分离电解液得到氧化钛纳米管束，然后加入去离子水超声清洗并再次离心分离，将分离出的氧化钛纳米管束粉体在80℃烘干得到白色氧化钛纳米管束粉体；

6)取3g步骤5)得到的氧化钛纳米管束粉体加入到50ml无水乙醇中，超声振荡30分钟，70℃烘干去除无水乙醇后得到白色氧化钛纳米管单管粉体。

实施例3：1)将高氯酸溶解于去离子水中制成高氯酸浓度为0.3mol/L的电解液；

2)将金属钛片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗取出自然晾干待用；

3)再将清洗后的钛片夹持固定作为阳极，铂电极与其平行放置作为阴极，组成电极系统，阴极与阳极间的距离为2.5cm；

4)将步骤3)装配好的电极系统浸入步骤1)的电解液中，以直流恒压源作为电源，开路电压直接从0V调整至60V，反应温度控制在30℃，金属钛片被彻底阳极氧化得到氧化钛纳米管束的白色悬浊液；

5)将得到的氧化钛管束白色悬浊液过滤，去掉钛残片，经高速离心分离电解液得到氧化钛纳米管束，然后加入去离子水超声清洗并再次离心分离，将分离出的氧化钛纳米管束粉体在90℃烘干得到白色氧化钛纳米管束粉体；

6)取4g步骤5)得到的氧化钛纳米管束粉体加入到50ml无水乙醇中，超声振荡30分钟，70℃烘干去除无水乙醇后得到白色氧化钛纳米管单管粉体。

实施例4：1)将高氯酸溶解于去离子水中制成高氯酸浓度为0.15mol/L的电解液；

2)将金属钛片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗取出自然晾干待用；

3)再将清洗后的钛片夹持固定作为阳极，铂电极与其平行放置作为阴极，组成电极系统，阴极与阳极间的距离为2.5cm；

4)将步骤3)装配好的电极系统浸入步骤1)的电解液中，以直流恒压源作为电源，开路电压直接从0V调整至20V，反应温度控制在55℃，金属钛片被彻底阳极氧化得到氧化钛纳米管束的白色悬浊液；

5)将得到的氧化钛管束白色悬浊液过滤，去掉钛残片，经高速离心分离电解液得到氧化钛纳米管束，然后加入去离子水超声清洗并再次离心分离，将分离出的氧化钛纳米管束粉体在100℃烘干得到白色氧化钛纳米管束粉体；

6)取5g步骤5)得到的氧化钛纳米管束粉体加入到50ml无水乙醇中，超声振荡40分钟，70℃烘干去除无水乙醇后得到白色氧化钛纳米管单管粉体。

实施例5：1)将高氯酸溶解于去离子水中制成高氯酸浓度为0.5mol/L的电解液；

2)将金属钛片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗取出自然晾干待用；

3)再将清洗后的钛片夹持固定作为阳极，铂电极与其平行放置作为阴极，组成电极系统，阴极与阳极间的距离为2.5cm；

4)将步骤3)装配好的电极系统浸入步骤1)的电解液中，以直流恒压源作为电源，开路电压直接从0V调整至50V，反应温度控制在25℃，金属钛片被彻底阳极氧化得到氧化钛纳米管束的白色悬浊液；

5)将得到的氧化钛管束白色悬浊液过滤，去掉钛残片，经高速离心分离电解液得到氧化钛纳米管束，然后加入去离子水超声清洗并再次离心分离，将分离出的氧化钛纳米管束粉体在100℃烘干得到白色氧化钛纳米管束粉体；

6)取3g步骤5)得到的氧化钛纳米管束粉体加入到50ml无水乙醇中，超声振荡30分钟，70℃烘干去除无水乙醇后得到白色氧化钛纳米管单管粉体。

图1为实例1中步骤5)所得氧化钛纳米管束在扫描电子显微镜中观察到的形貌，可以看到采用快速阳极氧化得到的氧化钛纳米管规整排列呈管束状，纳米管的外径大约为20nm，长度达数微米，具有很高的长径比。数百根氧化钛纳米管束相互排列在一起，形成氧化钛纳米管束粉体。

图2为实例1中步骤6)得到的氧化钛纳米管单管粉体在扫描电子显微镜中观察到的形貌，可以看到氧化钛纳米管呈单管状自由分布，长度下降为几百个纳米以内，说明超声波成功地对氧化钛纳米管束进行了裂解和剪切。

图3为实例4中步骤5)所得氧化钛纳米管束在透射电子显微镜中观察到的结构图，可以看到数百根氧化钛纳米管有序的排列在一起形成氧化钛纳米管束，长度约为2.5微米，右下角插图为选区电子衍射图，说明氧化钛纳米管束为无定形态。

图4为实例4中步骤6)所得氧化钛纳米管单管粉体在透射电子显微镜中观察到的结构图，可以看到中空的氧化钛纳米管单管无序分布在画面中，右下角插图为高倍透射电镜图，结果表明氧化钛纳米管单管直径约为20nm，内径约为10nm，管壁厚度约5nm，纳米管内外表面光滑。

图5为实例4中生长的氧化钛纳米管束和氧化钛纳米管单管粉体的激光动态散射等效粒径分布对比图，可以看到氧化钛纳米管束粒径分布在105～2000nm之间，氧化钛纳米管单管粉体粒径分布在20～200nm之间，结果说明氧化钛纳米管束被超声波裂解为具有多分散性的氧化钛纳米管单管粉体。

综上所述，本发明的材料不但具有多分散性和超细管径、超薄管壁的特点，而且可以在一个相对宽泛的工艺条件下合成制备。

Claims (1)

1.一种快速制备氧化钛纳米管单管粉体的方法，其特征在于：

1)将高氯酸溶解于去离子水中制成高氯酸浓度为0.15～0.5mol/L的电解液；

2)将金属钛片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗取出自然晾干待用；

3)再将清洗后的钛片夹持固定作为阳极，铂电极与其平行放置作为阴极，组成电极系统，阴极与阳极间的距离为2.5cm；

4)将步骤3)装配好的电极系统浸入步骤1)的电解液中，以直流恒压源作为电源，开路电压直接从0V调整至20～60V，反应温度控制在25～55℃，金属钛片被彻底阳极氧化得到氧化钛纳米管束的白色悬浊液；

5)将得到的氧化钛管束白色悬浊液过滤，去掉钛残片，经高速离心分离电解液得到氧化钛纳米管束，然后加入去离子水超声清洗并再次离心分离，将分离出的氧化钛纳米管束粉体在70～100℃烘干得到白色氧化钛纳米管束粉体；

6)取3～5g步骤5)得到的氧化钛纳米管束粉体加入到50ml无水乙醇中，超声振荡20～40分钟，70℃烘干去除无水乙醇后得到白色氧化钛纳米管单管粉体。

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