CN101956223B - 一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法，涉及一种纳米管。将基底材料表面清洁预处理；配制0.1～1.5wt％HF的水溶液为电解液，对基底材料进行电化学阳极氧化，即在基底材料表面构筑一层排列有序、尺寸可控的TiO2纳米管阵列膜，再将膜层热处理；配制铜盐浓度为0.014～4mol/L的乙醇溶液，然后加入0.001～0.06mmol的聚乙烯吡咯烷酮，溶液分散均匀后，将得到的膜层放入其中，再置于水浴中，加入0.01～0.80mol的葡萄糖和0.10～0.95mol的NaOH，超声处理后取出；将得到的复合膜层在50～200℃真空热处理1～5h，即得到氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米管，尤其是涉及一种可见光响应的氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法。
背景技术
二氧化钛(TiO2)作为一种新型的纳米材料，因其具有优异的化学稳定性、光电特性、抗腐蚀等特点，在能源、材料和环境等领域显示出诱人的的应用前景。近年来，利用TiO2半导体催化剂的光催化特性催化降解污染物成为一种新兴的环境处理技术。TiO2纳米晶体有粉体、薄膜和纳米管等形态。其中纳米粉体有很高的比表面积，但是却难以回收；纳米薄膜在载体上易于回收，却减少了与物质的接触面积。相比较而言，TiO2纳米管阵列膜比TiO2纳米颗粒薄膜具有更大的比表面积和更高的表面能，并且形成于钛基体上(纳米管与钛基体垂直)，阵列膜层与基体结合牢固，比粉体更容易回收，从而可实现多次循环利用。然而，从光催化效率来看，TiO2纳米管阵列仍存在一些不足，主要表现在两个方面：一是，TiO2是宽禁带(Eg＝3.2eV)半导体化合物，只有波长较短的太阳光能(λ＜387nm)才能被吸收，太阳能利用率低；二是，TiO2纳米管的光生电子-空穴对的复合率仍然较高，光催化活性低。若能在管中装入更小的无机、有机、金属或磁性纳米粒子组装成复合纳米材料，将会大大改善TiO2纳米管阵列的光电、电磁及催化性能，提高太阳能的利用率。
复合纳米半导体是将至少两种具有不同能带结构的纳米半导体以某种方式结合在一起，形成复合型纳米材料。这种复合能使窄带隙半导体敏化为宽带隙半导体，并能使宽带隙半导体作为光催化剂的光化学反应拓展至可见光区。Cu2O的禁带宽度为2.17eV，与TiO2复合后，使TiO2纳米管阵列的光响应从紫外区扩展到可见区，从而提高了对太阳能的利用率；由于二者导带电位的差异，能够使光生电子和空穴得以有效的分离，因此提高了光电转换效率。(1、Huan Lei，Peng Feng，Hongjuan Wang，Hao Yu，Li Zhong，Preparation and characterization ofCu2O/TiO2 nano-nano heterostructure photocatalysts，Catalysis Commun.，2009，10：1839-1843；2、唐一文，陈志钢，张丽莎，等，纳米Cu2O/TiO2异质结薄膜电极的制备和表征，无机材料学报，21(2)：453-458)。
TiO2纳米管阵列的研究工作虽然近年来已经取得了显著的成果，但是在TiO2纳米管阵列上复合Cu2O的工作却鲜有报道。Quan等(Hou Yang，Xinyong Li，Xuejun Zou，Quan Xie，ChenGuohua，Photoeletrocatalytic Activity of a Cu2O-Loaded Self-Organized Highly Oriented TiO2Nanotube Array Electrode for 4-Chlorophenol Degradation.Environ.Sci.Technol.，2009，43：858-863)采用光还原法在TiO2纳米管阵列表面上复合了Cu2O颗粒，该复合阵列具有较强的可见光吸收，而且其紫外光催化性能明显优于纯TiO2纳米管阵列。然而，这种方法制备的光催化剂的可见光催化性能相对于纯的TiO2并未有明显提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1)将基底材料表面进行清洁预处理；
2)配制0.1～1.5wt％HF的水溶液为电解液，一股金属为对电极，对基底材料进行电化学阳极氧化，即在基底材料表面构筑一层排列有序、尺寸可控的TiO2纳米管阵列膜，再将膜层热处理；
3)配制铜盐浓度为0.014～4mol/L的乙醇溶液，然后加入0.001～0.06mmol的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，溶液分散均匀后，将步骤2)得到的膜层放入其中，再置于水浴中，加入0.01～0.80mol的葡萄糖和0.10～0.95mol的NaOH，超声处理后取出；
4)将得到的复合膜层在50～200℃真空热处理1～5h，即得到氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列。
在步骤1)，所述基底材料可为纯钛或钛合金；所述清洁预处理可采用丙酮、乙醇和水对基底材料表面进行超声清洗。
在步骤2)中，所述对基底材料进行电化学阳极氧化的电压可为10～25V，时间可为0.5～2h；所述热处理的温度可为200～500℃，热处理的时间可为1～5h；所述对电极可为金属铂。
在步骤3)中，所述铜盐可为醋酸铜、硝酸铜或硫酸铜等；所述水浴的温度可为20～100℃；所述超声处理的时间可为10～120min。
本发明首先利用电化学阳极氧化法在钛表面制得结构有序的TiO2纳米管阵列膜层，然后通过改性处理得到氧化亚铜纳米颗粒复合的TiO2纳米管阵列，改性过程通过调控超声时间，可实现氧化亚铜在TiO2纳米管阵列表面的可控沉积。将其作为光催化剂，较未复合的TiO2光催化剂而言，制得的复合氧化亚铜纳米颗粒的TiO2纳米管阵列光催化剂在可见光下降解5mg/L的罗丹明B的光催化速率提高了5.3倍，适用于可见光催化降解有机污染物。
本发明通过拓展TiO2纳米管阵列的光响应至可见光区，实现利用太阳光对有机污染物进行有效降解。
附图说明
图1为实施例1制得的氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列的SEM图。
图2为实施例1制得的氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列的XPS图。在图2中，横坐标为结合能Binding energy(eV)，纵坐标为单位时间内测得的光电子数目Intensity(coumts/s)；左峰为Cu2P3/2(932.5eV)，右峰为Cu2P1/2(952.4eV)。
图3为实施例1制得的氧化亚铜复合TiO2纳米管阵列和纯TiO2纳米管阵列的紫外-可见漫反射谱。在图3中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为吸光度Intensity(a.u.)；曲线(a)为TiO2，曲线(b)为Cu2O-TiO2。
具体实施方式
实施例1
(1)基底材料为厚2mm的纯钛板，表面用金相砂纸打磨至无划痕，并用丙酮、乙醇和三次水中超声清洗干净，凉干待用。配制0.1wt％HF的电解液，在室温下以铂为对电极，在20V电压下进行电化学阳极氧化1h，400℃条件下煅烧0.5h，即在钛板表面获得有序的Ti02纳米管阵列膜层，纳米管内径80～90nm，膜层厚度约为500nm。
(2)采用超声的方法，制备氧化亚铜复合的Ti02纳米管阵列。将0.025mol CuAc2溶于30ml乙醇中，再向其中加入0.06mmol的PVP，溶液分散均匀后，放入步骤1得到的膜层，将所有溶液放入100℃水浴后，再加入0.38mol的葡萄糖和0.60mol的NaOH，超声40min后，将样品取出后，在100℃中真空干燥2h，即制得复合氧化亚铜纳米颗粒的TiO2纳米管阵列。从产品的SEM图(图1)中可以看出，TiO2纳米管阵列表面有明显的氧化亚铜纳米颗粒，有些已填入纳米管内。图2为制得氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列的XPS图，图中只有932.5eV和952.4eV两峰，分别对应于Cu的Cu2p3/2和Cu2p1/2的结合能，证实了复合的颗粒为纯的Cu2O颗粒。对比氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列膜和纯TiO2纳米管阵列膜的紫外-可见漫反射谱(图3)，可以看出，氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列在200～700nm的波长范围均有强的光吸收，与纯TiO2纳米管阵列相比可见光吸收明显增强，这表明氧化亚铜的复合增强了TiO2纳米管阵列对可见光的吸收能力。
(3)将步骤2制得的氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列光催化剂放入5mg/L的罗丹明B溶液中，在磁力搅拌下经500W的卤钨灯照射，测试光照不同时间罗丹明B的浓度，根据公式ln(C0/Ct)＝kt(式中：C0、Ct分别为起始和光照t时间后溶液的浓度，k为表观速度常数)线性拟合实验数据，求得表观速率常数k值，k值越大，光催化速率越大。
实施例2
(1)TiO2纳米管阵列膜层的制备同实施例1。
(2)采用超声的方法，制备复合氧化亚铜纳米颗粒修饰的TiO2纳米管阵列光催化剂。将0.005mol CuAc2溶于40ml乙醇中，再向其中加入0.02mol的PVP，溶液分散均匀后，放入步骤1得到的膜层，将所有溶液放入100℃水浴后，再加入0.26mol的葡萄糖和0.40mol的NaOH，超声60min后，将样品取出后，在100℃中真空干燥2h，即制得氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列光催化剂。
(3)氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列光催化剂可见光催化降解罗丹明B的表观速率常数k的测试同实施例1，结果见表1。
实施例3
(1)TiO2纳米管阵列膜层的制备同实施例1。
(2)采用超声的方法，制备复合氧化亚铜纳米颗粒修饰的TiO2纳米管阵列光催化剂。将0.05mol CuAc2溶于50ml乙醇中，再向其中加入0.04mmol的PVP，溶液分散均匀后，放入步骤1得到的膜层，将所有溶液放入100℃水浴后，再加入0.32mol的葡萄糖和0.18mol的NaOH，超声30min后，将样品取出后，在120℃中真空干燥2h，即制得复合氧化亚铜纳米颗粒的TiO2纳米管阵列光催化剂。
(3)氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列光催化剂可见光催化降解罗丹明B的表观速率常数k的测试同实施例1，结果见表1。
实施例4
(1)TiO2纳米管阵列膜层的制备同实施例1。
(2)采用超声的方法，制备复合氧化亚铜纳米颗粒修饰的TiO2纳米管阵列光催化剂。将0.07mol CuAc2溶于50ml乙醇中，再向其中加入0.02mmol的PVP，溶液分散均匀后，放入步骤1得到的膜层，将所有溶液放入90℃水浴后，再加入0.40mol的葡萄糖和0.30mol的NaOH，超声20min后，将样品取出后，在120℃中真空干燥2h，即制得复合氧化亚铜纳米颗粒的TiO2纳米管阵列光催化剂。
(3)氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列光催化剂可见光催化降解罗丹明B的表观速率常数k的测试同实施例1，结果见表1。
实施例5
(1)TiO2纳米管阵列膜层的制备同实施例1。
(2)采用超声的方法，制备复合氧化亚铜纳米颗粒修饰的TiO2纳米管阵列光催化剂。将0.06mol CuAc2溶于50ml乙醇中，再向其中加入0.02mmol的PVP，溶液分散均匀后，放入步骤1得到的膜层，将所有溶液放入90℃水浴后，再加入0.15mol的葡萄糖和0.10mol的NaOH，超声120min后，将样品取出后，在50℃中真空干燥1h，即制得复合氧化亚铜纳米颗粒的TiO2纳米管阵列光催化剂。
(3)氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列光催化剂可见光催化降解罗丹明B的表观速率常数k的测试同实施例1，结果见表1。
实施例6
(1)TiO2纳米管阵列膜层的制备同实施例1。
(2)采用超声的方法，制备复合氧化亚铜纳米颗粒修饰的TiO2纳米管阵列光催化剂。将0.09mol CuAc2溶于40ml乙醇中，再向其中加入0.001mmol的PVP，溶液分散均匀后，放入步骤1得到的膜层，将所有溶液放入90℃水浴后，再加入0.35mol的葡萄糖和0.48mol的NaOH，超声90min后，将样品取出后，在120℃中真空干燥2h，即制得复合氧化亚铜纳米颗粒的TiO2纳米管阵列光催化剂。
(3)氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列光催化剂可见光催化降解罗丹明B的表观速率常数k的测试同实施例1，结果见表1。
表1.实施例参数及表观速率常数k
Claims (8)
1.一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将基底材料表面进行清洁预处理；
2）配制0.1～1.5wt%HF的水溶液为电解液，对电极为金属铂，对基底材料进行电化学阳极氧化，即在基底材料表面构筑一层排列有序、尺寸可控的TiO2纳米管阵列膜，再将膜层热处理；所述对基底材料进行电化学阳极氧化的电压为10～25V，时间为0.5～2h；所述热处理的温度为200～500℃，热处理的时间为1～5h；
3）将0.025mol CuAc2溶于30ml乙醇中，再向其中加入0.06mmol的PVP，溶液分散均匀后，将步骤2）得到的膜层放入其中，再置于水浴中，再加入0.38mol的葡萄糖和0.60mol的NaOH，超声处理后取出；所述水浴的温度为20～100℃；所述超声处理的时间为10～120min；
4）将得到的复合膜层在50～200℃真空热处理1～5h，即得到氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列。
2.一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将基底材料表面进行清洁预处理；
2）配制0.1～1.5wt%HF的水溶液为电解液，对电极为金属铂，对基底材料进行电化学阳极氧化，即在基底材料表面构筑一层排列有序、尺寸可控的TiO2纳米管阵列膜，再将膜层热处理；所述对基底材料进行电化学阳极氧化的电压为10～25V，时间为0.5～2h；所述热处理的温度为200～500℃，热处理的时间为1～5h；
3）将0.005mol CuAc2溶于40ml乙醇中，再向其中加入0.02mol的PVP，溶液分散均匀后，将步骤2）得到的膜层放入其中，再置于水浴中，再加入0.26mol的葡萄糖和0.40mol的NaOH，超声处理后取出；所述水浴的温度为20～100℃；所述超声处理的时间为10～120min；
4）将得到的复合膜层在50～200℃真空热处理1～5h，即得到氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列。
3.一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将基底材料表面进行清洁预处理；
2）配制0.1～1.5wt%HF的水溶液为电解液，对电极为金属铂，对基底材料进行电化学阳极氧化，即在基底材料表面构筑一层排列有序、尺寸可控的TiO2纳米管阵列膜，再将膜层热处理；所述对基底材料进行电化学阳极氧化的电压为10～25V，时间为0.5～2h；所述热处理的温度为200～500℃，热处理的时间为1～5h；
3）将0.05mol CuAc2溶于50ml乙醇中，再向其中加入0.04mmol的PVP，溶液分散均匀后，将步骤2）得到的膜层放入其中，再置于水浴中，再加入0.32mol的葡萄糖和0.18mol的NaOH，超声处理后取出；所述水浴的温度为20～100℃；所述超声处理的时间为10～120min；
4）将得到的复合膜层在50～200℃真空热处理1～5h，即得到氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列。
4.一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将基底材料表面进行清洁预处理；
2）配制0.1～1.5wt%HF的水溶液为电解液，对电极为金属铂，对基底材料进行电化学阳极氧化，即在基底材料表面构筑一层排列有序、尺寸可控的TiO2纳米管阵列膜，再将膜层热处理；所述对基底材料进行电化学阳极氧化的电压为10～25V，时间为0.5～2h；所述热处理的温度为200～500℃，热处理的时间为1～5h；
3）将0.07mol CuAc2溶于50ml乙醇中，再向其中加入0.02mmol的PVP，溶液分散均匀后，将步骤2）得到的膜层放入其中，再置于水浴中，再加入0.40mol的葡萄糖和0.30mol的NaOH，超声处理后取出；所述水浴的温度为20～100℃；所述超声处理的时间为10～120min；
4）将得到的复合膜层在50～200℃真空热处理1～5h，即得到氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列。
5.一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将基底材料表面进行清洁预处理；
2）配制0.1～1.5wt%HF的水溶液为电解液，对电极为金属铂，对基底材料进行电化学阳极氧化，即在基底材料表面构筑一层排列有序、尺寸可控的TiO2纳米管阵列膜，再将膜层热处理；所述对基底材料进行电化学阳极氧化的电压为10～25V，时间为0.5～2h；所述热处理的温度为200～500℃，热处理的时间为1～5h；
3）将0.06mol CuAc2溶于50ml乙醇中，再向其中加入0.02mmol的PVP，溶液分散均匀后，将步骤2）得到的膜层放入其中，再置于水浴中，再加入0.15mol的葡萄糖和0.10mol的NaOH，超声处理后取出；所述水浴的温度为20～100℃；所述超声处理的时间为10～120min；
4）将得到的复合膜层在50～200℃真空热处理1～5h，即得到氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列。
6.一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将基底材料表面进行清洁预处理；
2）配制0.1～1.5wt%HF的水溶液为电解液，对电极为金属铂，对基底材料进行电化学阳极氧化，即在基底材料表面构筑一层排列有序、尺寸可控的TiO2纳米管阵列膜，再将膜层热处理；所述对基底材料进行电化学阳极氧化的电压为10～25V，时间为0.5～2h；所述热处理的温度为200～500℃，热处理的时间为1～5h；
3）将0.09mol CuAc2溶于40ml乙醇中，再向其中加入0.001mmol的PVP，溶液分散均匀后，将步骤2）得到的膜层放入其中，再置于水浴中，再加入0.35mol的葡萄糖和0.48mol的NaOH，超声处理后取出；所述水浴的温度为20～100℃；所述超声处理的时间为10～120min；
4）将得到的复合膜层在50～200℃真空热处理1～5h，即得到氧化亚铜复合的TiO2纳米管阵列。
7.如权利要求1～6中任意一项所述的一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其特征在于在步骤1），所述基底材料为纯钛或钛合金。
8.如权利要求1～6中任意一项所述的一种氧化亚铜复合二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其特征在于在步骤1），所述清洁预处理是采用丙酮、乙醇和水对基底材料表面进行超声清洗。
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| CN101851772A (zh) * | 2010-06-30 | 2010-10-06 | 湖南大学 | 一种Cu2OTiO2纳米管阵列及其制备方法 |
-
2010
- 2010-10-27 CN CN2010105229396A patent/CN101956223B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1434151A (zh) * | 2003-02-27 | 2003-08-06 | 华中师范大学 | 金属铜阳极氧化法制备纳米氧化亚铜材料的方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 于伟等.超声场下纳米氧化亚铜的绿色合成.《上海第二工业大学学报》.2008,第25卷(第4期),239-242. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101956223A (zh) | 2011-01-26 |
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