CN103318955B - 一种串状TiO2微米球材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微米材料技术领域，特别涉及一种串状TiO2微米球材料及其制备方法。本发明方法在冰醋酸为溶剂的反应体系中加入钛酸四正丁酯、硝酸银和二氧化钛纳米带进行水热反应，所制备的二氧化钛微米结构由多个层状球串联起来呈现串状结构。此种微米结构形貌均一且有较大的比表面积；由纳米片层结构构成的微米球整齐地包裹到二氧化钛纳米带上，二氧化钛纳米带起到了生长支架的作用。由于二维片层的较大的比表面积和一维纳米带的电子传输特性有效地提高材料的光催化性能；将其应用于染料敏化太阳能电池领域，保证了高的电子传输效率以及大的染料吸附能力，同时三维微米球将大大降低表面的缺陷，相对于单纯的P25 TiO2更有益于提高DSSC的开路电压和短路电流。

Description

一种串状TiO2微米球材料及其制备方法
技术领域
本发明属于微米材料技术领域，特别涉及一种串状TiO2微米球材料及其制备方法。
背景技术
TiO2微纳米材料因其较大的比表面积、优异的电荷传输性能，在光催化、染料敏化太阳能电池（DSSC）及锂电池等领域被广泛应用。TiO2的纳米结构，包括纳米颗粒、纳米带、纳米管、纳米柱及纳米花状结构等，因其不同的性能优势吸引了众多的研究。TiO2纳米材料的制备方法通常采用水热合成法，这种方法制备工艺简单，反应条件容易控制，可在较低温度下形成不同的纳米结构。
我们通过在反应物中添加已具有纳米结构的TiO2纳米带作为反应的载体，采用金属阳离子辅助生长法，利用钛酸丁酯水解后的产物在TiO2纳米带表面的有序生长，获得了一种新的纳米结构。现有的合成方法可实现单个微米层状球结构，而这种方法利用已合成的纳米带作为支架可实现生成成串的片层球状结构，一个个微米球均匀排列于纳米带上，纳米带作为导电通道使微米球紧密连接。同时，三维的微米球由二维的纳米片层组装而成，更有利于获得大的比表面积和高的电子传输性能，无疑可以获得优异的光电及光催化性能。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种串状TiO2微米球材料及其制备方法。
一种串状TiO2微米球材料的制备方法，其具体步骤如下：
a.以冰醋酸作为反应溶剂，配置浓度为2.3～2.8g/mL的硝酸银溶液，磁力搅拌至充分溶解，得到混合溶液；
b.取质量分数为98%的钛酸四正丁酯溶液，加入步骤a得到的混合溶液中，所述质量分数为98%的钛酸四正丁酯溶液与冰醋酸的体积比为1:（70～100），继续磁力搅拌至溶液混合均匀；
c.将二氧化钛纳米带粉末（按照文献Wang YM,Du GJ,Liu H,Liu D,Qin SB,Wang N,Hu CG,Tao XT,Jiao J,Wang JY,Wang ZL.Adv Funct Mater.2008,18,1131.所述方法步骤合成）加入到步骤b所得到的混合溶液中，配置成二氧化钛浓度为0.4～0.6g/L的溶液，磁力搅拌至均匀分散；
d.将步骤c所得的混合溶液倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，拧紧后在干燥箱中，在140～180℃温度下反应6～10小时；
e.反应完成后，自然冷却，将步骤d所得的溶液进行离心分离，得到TiO2白色沉淀，然后在干燥箱中，在60～80℃温度下干燥至少24小时，得到串状TiO2微米球材料。
一种串状TiO2微米球材料，所述串状TiO2微米球材料是通过上述制备方法制备得到的，其由多个层状球串联起来呈现串状结构；由纳米片层结构构成的微米球包覆在二氧化钛纳米带上。
本发明的有益效果为：
本发明方法成本低、可操作性强、低温容易控制；制备出的串状TiO2微米球材料，结构形貌均一，将这种均匀生长的微米结构在实际应用中同时具备以下几种优势：TiO2纳米带作为导电通道，提高电子的传输性能；三维的微米分层球将提高光的散射，促进光的捕获；二维的纳米片层构成微米球，兼具了大的比表面积和高的电荷传输性能，因而无疑会提高DSSC电池的光电转换效率和TiO2的光催化性能。
附图说明
图1a为TiO2微米球材料低倍的扫面电镜图，图1bTiO2微米球材料高倍的扫面电镜图。
图2为为商业用P25TiO2和成串TiO2微米球材料在紫外光照60min降解甲基橙的吸收光谱。
具体实施方式
本发明提供了一种串状TiO2微米球材料及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
1.以冰醋酸作为反应溶剂，配置硝酸银浓度为2.6g/mL的硝酸银溶液40mL于玻璃烧杯中，磁力搅拌至完全分散；
2.并按照质量分数为98%的钛酸四正丁酯与冰醋酸的体积比为1:90的比例，将质量分数为98%的钛酸四正丁酯加入步骤1所得的混合溶液中，继续磁力搅拌至混合均匀；
3.将TiO2纳米带粉末加入到步骤2所得的混合溶液中，配置成二氧化钛浓度为0.5g/L的溶液，磁力搅拌至均匀分；
4.进行水热合成反应：将步骤3所得的混合溶液倒入反应釜中，拧紧后在干燥箱中，在150℃温度下反应7小时；
5.反应完成后，自然冷却，将步骤4中所得的溶液反复离心分离得到白色TiO2沉淀，最后在干燥箱中60℃温度下干燥至少24小时，得到串状TiO2微米球材料。
得到的原子成分比例如下表所示，O:Ti为2:1，因此，我们所得到的材料为 TiO2. 
表1.所得微米球的原子成分及比例数据表
实施例2
1.以冰醋酸作为反应溶剂，配置硝酸银浓度为2.3g/mL的硝酸银溶液40mL于玻璃烧杯中，磁力搅拌至完全分散；
2.并按照质量分数为98%的钛酸四正丁酯与冰醋酸的体积比为1:80的比例，将质量分数为98%的钛酸四正丁酯加入步骤1所得的混合溶液中，继续磁力搅拌至混合均匀。
3.将TiO2纳米带粉末加入到步骤2所得的混合溶液中，配置二氧化钛成浓度为0.4g/L的溶液，磁力搅拌至均匀分散；
4.进行水热合成反应：将步骤3所得的混合溶液倒入反应釜中，拧紧后在干燥箱中，在160℃温度下反应5小时；
5.反应完成后，自然冷却，将步骤4所得的溶液反复离心分离得到白色TiO2沉淀，最后在干燥箱中60℃温度下干燥至少24小时，得到串状TiO2微米球材料。
6.将得到的TiO2微米球材料进行光催化降解甲基橙的实验（光照60min），实验结果表明，TiO2微米球材料的降解速率高于商业化P25 TiO2的降解速率，如图2所示。

Claims (2)

1.一种串状TiO2微米球材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
a.以冰醋酸作为反应溶剂，配置浓度为2.3～2.8g/mL的硝酸银溶液，磁力搅拌至充分溶解，得到混合溶液；
b.取质量分数为98%的钛酸四正丁酯溶液，加入步骤a得到的混合溶液中，所述质量分数为98%的钛酸四正丁酯溶液与冰醋酸的体积比为1:（70～100），继续磁力搅拌至溶液混合均匀；
c.将二氧化钛纳米带粉末加入到步骤b所得到的混合溶液中，配置成二氧化钛浓度为0.4～0.6g/L的溶液，磁力搅拌至均匀分散；
d.将步骤c所得的混合溶液倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，拧紧后在干燥箱中，在140～180℃温度下反应6～10小时；
e.反应完成后，自然冷却，将步骤d所得的溶液进行离心分离，得到TiO2白色沉淀，然后在干燥箱中，在60～80℃温度下干燥至少24小时，得到串状TiO2微米球材料。
2.一种串状TiO2微米球材料，其特征在于：所述串状TiO2微米球材料是通过权利要求1所述的制备方法制备得到的，其由多个层状球串联起来呈现串状结构；由纳米片层结构构成的微米球包覆在二氧化钛纳米带上。
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