CN102817062A - 三电极法制备良好光催化性能的双壁二氧化钛纳米管阵列 - Google Patents

三电极法制备良好光催化性能的双壁二氧化钛纳米管阵列 Download PDF

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肖顺华
宝音
蒋英
王任衡
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Abstract

本发明公开了一种三电极法制备良好光催化性能的双壁二氧化钛纳米管阵列。采用石墨电极—钛片—石墨电极三电极氧化体系，以具有高电阻率、高黏度的乙二醇有机溶剂作为电解液，通过改变氟化铵和水分的含量，制备出高比表面积的双壁TiO2纳米管。本发明制备方法简单，易于控制，采用三电极体系，在钛片的两表面均制备出更好垂直取向性、高长径比、管貌均匀和具有良好光催化性能的双壁TiO2纳米管阵列；大幅度提高了比表面积，有效地提高了钛片的利用率。

Description

三电极法制备良好光催化性能的双壁二氧化钛纳米管阵列
技术领域
本发明属于纳米功能材料制备技术领域，特别是三电极法制备良好光催化性能的双壁二氧化钛纳米管阵列。
背景技术
随着人类进入21世纪，一场以节约能源和资源、保护环境、减少环境污染、实现可持续发展为目标的新工业革命正在兴起。太阳能作为一种洁净的新能源，具有取之不尽又不会造成任何污染的优点，因此围绕太阳能开展的研制高效光电催化剂的工作成为当今科学研究的热点。TiO2光催化材料是最有应用潜力的一种光催化剂，因其作为典型的过渡金属氧化物，具有化学稳定性高、廉价、无毒、催化活性强和光电转换效率高等优异的物理化学性能，在光催化材料、光电转换材料和自洁杀菌材料等方面有着较为广泛的应用。如何制备出具有更高、更有效的TiO2光催化材料也成为了研究者们的首要课题。
在众多形貌纳米TiO2材料中，因TiO2纳米管具有比粉体、薄膜更大的比表面积和孔体积，具有更强的吸附能力，表现出更高的光催化性能。TiO2纳米管的制备方法主要有水热合成法、模板法和阳极氧化法等，其中，阳极氧化法具有良好的可控性、操作容易、不易脱落、易回收等优点而成为制备TiO2纳米管的重要方法之一。用电化学方法将高纯度的金属钛片置于含氟的电解液中，进行阳极氧化，在钛片上制备出高度有序的TiO2纳米管阵列。 
目前，使用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列，首要解决的问题是如何使用该方法制备垂直取向、高长径比、管貌均匀、高比表面积的二氧化钛纳米管阵列。本发明采用三电极体系即石墨电极—钛片—石墨电极，在有机电解液体系中通过改变电解液体系中氟化铵的含量以及水分含量等，制备出较单壁纳米管在垂直取向性、长径比、管貌均匀性、比表面积、光催化性能等方面更加优越的双壁TiO2纳米管阵列。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好光催化性能的双壁TiO2纳米管阵列的制备方法。
具体步骤为：
（1）将厚度为0.1~0.5 mm、纯度为99.5%以上的高纯钛片放入总体积为18ml，氢氟酸：浓硝酸：去离子水的体积比为1：4：4的溶液中进行化学抛光，然后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水对高纯钛片进行超声清洗各20 分钟，取出后用去离子水清洗，清洗完毕后烘干；
（2）取去离子水、乙二醇和氟化铵混合溶液做电解液，其中，去离子水：乙二醇的体积比为1~15：99~85，氟化铵的质量为混合溶液的0.1 ~ 1%；
（3）取步骤（1）抛光好的高纯钛片为阳极，两个石墨棒为阴极，阳极氧化采用三电极体系，室温下采用HCP-10-150DC POWER SUPPLY型直流电源，采用直接加电压法电压调节到所需电压后，将三电极带电放入步骤（2）所得的电解液中，电压控制在10 V ~ 120 V之间，全过程采用集热式恒温磁力搅拌器对氧化体系进行搅拌，速度为120 r/min，氧化时间为10 ~ 150 小时；
（4）将步骤（3）反应后的高纯钛片放入去离子水中超声振荡清洗10 秒，置空气中晾干待用；
（5）将步骤（4）所得高纯钛片放入马弗炉中恒温煅烧3 小时后冷却至室温，煅烧温度为200℃ ~ 1000℃，升温速度为20℃/ min；
    所用化学试剂均为分析纯。
本发明制备方法简单，易于控制，采用三电极体系，在钛片的两表面均制备出更好垂直取向性、高长径比、管貌均匀和具有良好光催化性能的双壁TiO2纳米管阵列；大幅度提高了比表面积，有效地提高了钛片的利用率。
附图说明
图1是实施例1的SEM横截面图。
图2是实施例1的SEM俯视图。
图3是实施例1的光催化降解率图。
图4是实施例2的SEM俯视图。
图5是实施例2的光催化降解率图。
具体实施方式
实施例1：
（1）将高纯钛片（纯度为99.5%，厚度为0.2 mm）剪成面积为0.8 cm × 4 cm，在装有总体积18ml，氢氟酸：浓硝酸：去离子水的体积比为1：4：4的溶液的四氟乙烯烧杯中进行化学抛光，然后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水对高纯钛片进行超声清洗各20分钟，取出后用去离子水清洗，放入去离子水中封存；
（2）取240 ml乙二醇于聚四氟乙烯电解槽中，加入10 ml去离子水，0.98 g氟化铵，用磁力搅拌器隔夜搅拌得电解液；
（3）取步骤（1）抛光好的高纯钛片为阳极，两个石墨棒为阴极，阳极氧化采用三电极体系，室温下采用HCP-10-150DC POWER SUPPLY型直流电源，采用直接加电压法，电压调节到所需电压后，将三电极带电放入步骤（2）所得的电解液中，电压控制在10 V ~ 120 V之间，全过程采用集热式恒温磁力搅拌器对氧化体系进行搅拌，速度为120 r/min，氧化时间为60 小时；
（4）将步骤（3）反应后的高纯钛片放入去离子水中超声振荡清洗10 秒，置空气中晾干待用；
（5）将步骤（4）所得高纯钛片放入马弗炉中恒温煅烧3 小时后冷却至室温，煅烧温度为500℃，升温速度为20℃/ min；
    所用化学试剂均为分析纯。
通过扫描电镜（见图1、2）说明了样品的微观形貌。把所制备的双壁二氧化钛纳米管阵列对甲基橙进行紫外光降解实验。
具体操作如下：将制备好的双壁TiO2纳米管阵列放入装有50 ml新配置的5 mg/L甲基橙溶液的烧杯中，用20 W紫外灯进行照射30小时，用分光光度计测定不同光照时间点的甲基橙溶液的吸光度A，A0为初始吸光度，计算双壁TiO2纳米管阵列对甲基橙的降解率，并绘制曲线图，如图3。由图可以看所制备的双壁TiO2纳米管阵列对甲基橙表现出了较高的光催化性能。
 实施例2：
（1）将高纯钛片（纯度为99.5%，厚度为0.2 mm）剪成 面积为0.8 cm × 4 cm，在装有总体积18ml，氢氟酸：浓硝酸：去离子水的体积比为1：4：4的溶液的四氟乙烯烧杯中进行化学抛光，然后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水对高纯钛片进行超声清洗各20 分钟，取出后用去离子水清洗，放入去离子水中封存；
（2）取237.5 ml乙二醇于聚四氟乙烯电解槽中，加入12.5 ml去离子水，1.22 g氟化铵，用磁力搅拌器隔夜搅拌得电解液；
（3）取步骤（1）抛光好的高纯钛片为阳极，两个石墨棒为阴极，阳极氧化采用三电极体系，室温下采用HCP-10-150DC POWER SUPPLY型直流电源，采用直接加电压法，电压调节到所需电压后，将三电极带电放入步骤（2）所得的电解液中，电压控制在10 V ~ 120 V之间，全过程采用集热式恒温磁力搅拌器对氧化体系进行搅拌，速度为120 r/min，氧化时间为60 小时；
（4）将步骤（3）反应后的高纯钛片放入去离子水中超声振荡清洗10 秒，置空气中晾干待用；
（5）将步骤（4）所得高纯钛片放入马弗炉中恒温煅烧3 小时后冷却至室温，煅烧温度为500℃，升温速度为20℃/ min；
    所用化学试剂均为分析纯。
通过扫描电镜（见图4）说明了样品的微观形貌。把所制备的双壁TiO2纳米管阵列对甲基橙进行紫外光降解实验。
具体操作如下：将制备好的双壁TiO2纳米管阵列放入装有50 ml新配置的5 mg/L甲基橙溶液的烧杯中，用20 W紫外灯进行照射30 h，用分光光度计测定不同光照时间点的甲基橙溶液的吸光度A，A0为初始吸光度，计算双壁TiO2纳米管阵列对甲基橙的降解率，并绘制曲线图，如图5。由图可以看所制备的双壁TiO2纳米管阵列对甲基橙表现出了较高的光催化性能。

Claims (1)

1. 一种双壁二氧化钛纳米管阵列的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）将厚度为0.1~0.5 mm、纯度为99.5%以上的高纯钛片放入总体积为18ml，氢氟酸：浓硝酸：去离子水的体积比为1：4：4的溶液中进行化学抛光，然后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水对高纯钛片进行超声清洗各20 分钟，取出后用去离子水清洗，清洗完毕后烘干；
（2）取去离子水、乙二醇和氟化铵混合溶液做电解液，其中，去离子水：乙二醇的体积比为1~15：99~85，氟化铵的质量为混合溶液的0.1 ~ 1%；
（3）取步骤（1）抛光好的高纯钛片为阳极，两个石墨棒为阴极，阳极氧化采用三电极体系，室温下采用HCP-10-150DC POWER SUPPLY型直流电源，采用直接加电压法电压调节到所需电压后，将三电极带电放入步骤（2）所得的电解液中，电压控制在10 V ~ 120 V之间，全过程采用集热式恒温磁力搅拌器对氧化体系进行搅拌，速度为120 r/min，氧化时间为10 ~ 150 小时；
（4）将步骤（3）反应后的高纯钛片放入去离子水中超声振荡清洗10 秒，置空气中晾干待用；
（5）将步骤（4）所得高纯钛片放入马弗炉中恒温煅烧3 小时后冷却至室温，煅烧温度为200℃ ~ 1000℃，升温速度为20℃/ min；
    所用化学试剂均为分析纯。
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