CN104311142A - 一种垂直生长TiO2纳米片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在碳基电极表面垂直生长TiO₂纳米片及其制备方法，属于纳米材料技术领域。TiO₂纳米片制备方法包括四个步骤，基底预处理；预处理的基底在氢氧化钠溶液中原位水热反应，这是一个溶解再结晶的过程，加入一定量的结构诱导剂以形成垂直基底表面均匀生长的纳米片阵列；洗涤、酸泡，反应完成后将生成的TiO₂纳米片用超纯水反复洗涤，再用酸浸泡至中性；煅烧，在N₂保护气氛中于一定温度下煅烧一定时间即得到单晶型垂直生长TiO₂纳米片。TiO₂纳米片具有良好的生物相容性、稳定性、环境友好性，该方法制备简单，而垂直生长的纳米片能降低电子转移的阻力，用于微生物燃料电池(MFC)中提高了电量输出。

Description

一种垂直生长TiO2纳米片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种垂直各种碳基底生长的TiO₂纳米片及其制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

TiO₂半导体纳米材料由于具有优异的光电特性、化学性质稳定、无毒性等优点，在光催化、太阳能电池、气体传感等方面有良好的应用前景。TiO₂纳米材料的制备方法一般包括水热法、沉淀法、模板法、溶胶—凝胶法以及自组装法等。不同的合成方法可以得到不同形貌的TiO₂纳米材料，其中最常见的形貌有介孔球、纳米管、纳米线、纳米片以及由二维结构组装而成的三维介孔微球等结构。电极上修饰半导体纳米结构能够提升电极性能，广泛应用于许多领域。目前，碳电极上修饰的纳米TiO₂形貌主要有纳米颗粒、纳米棒、纳米片等，但是由于碳基电极表面不平整，表面活性基团少，修饰方法大多采用粘接、压缩、涂抹等物理方法在表面形成无序的TiO₂纳米结构。修饰有序的纳米半导体难度较大，碳电极上具有取向结构的TiO₂生长较少。碳基底表面有序生长纳米半导体结构常用的方法是水热法，该方法成功地实现了碳纤维表面有序纳米棒的生长，水热法制备TiO₂纳米材料可以通过控制水热过程中反应温度、反应时间、溶液pH值、反应物的种类及浓度得到不同晶型(锐钛矿、金红石、板钛矿等)、不同尺寸和不同形貌的TiO₂产物。

发明内容

技术问题：本发明目的是提供一种垂直生长TiO₂纳米片及其制备方法，垂直碳基基底表面的TiO₂纳米片生长均匀，纳米片层具有互相贯通、上下通透的孔道结构，提高了碳基电极的性能。

技术方案：本发明的一种垂直生长TiO₂纳米片，采用结构诱导剂，水热法在碳基电极上原位生长与碳基电极表面垂直的TiO₂纳米片；TiO₂纳米片2-5μm长，200-600nm宽，生长密度可根据表面吸附的溶胶种子层控制。

所述结构诱导剂是石墨颗粒、活性炭粉、碳纳米管或石墨烯。

修饰后的碳基电极具有优良的界面电子导电性，超亲水性，良好的生物相容性。

本发明的一种垂直生长TiO₂纳米片的制备方法的制备步骤为：

第一步，基底预处理：适当清洁的碳电极浸泡于TiO₂溶胶中一定时间，取出烘干，随后在300-400℃下煅烧0.5-2h即在碳电极表面形成TiO₂溶胶颗粒种子层。

第二步，水热法制备垂直生长的TiO₂纳米片：配置一定浓度的氢氧化钠溶液，加入结构诱导剂粉末，倒入聚四氟乙烯反应釜中，同时将附着有TiO₂溶胶的碳基底竖着放入反应釜中，120-250℃保温12-48h，反应结束后，将所制备的样品用超纯水反复冲洗干净，再用酸浸泡至中性后在40-80℃烘箱中烘干；

第三步，煅烧形成不同的晶型结构：在N₂气氛中于450-800℃下煅烧1-5h即得到不同晶型垂直生长的TiO₂纳米片。

有益效果：本发明以TiO₂溶胶为原料，通过水热法加入特定的诱导剂制备了垂直生长的TiO₂纳米片，既具有纳米TiO₂作为无机半导体材料，具有的光催化活性好、光电效应、耐光腐蚀能力强、物理化学性能稳定、环境友好、价格相对低廉及生物相容性好等优点，又因纳米片垂直碳电极表面，具有电子转移过程中相对阻力小的优良特性。可广泛用于光催化、超级电容器、太阳能电池及传感器等领域。同时由于其良好的生物相容性、化学稳定性与较低的电子转移阻力，可作为MFC阳极材料，为大力开发与有效利用生物质能，开发清洁、环保的可再生能源提供了保障，为进一步开发价格低廉、电能转换率高、推进MFC的实际应用提供线索和依据。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

采用结构诱导剂，水热法在碳基电极上原位生长与碳基电极表面垂直的TiO₂纳米片；TiO₂纳米片2-5μm长，200-600nm宽，生长密度可根据表面吸附的溶胶种子层控制。所述结构诱导剂是石墨颗粒、活性炭粉、碳纳米管或石墨烯。

基底预处理：碳电极按常规方法进行表面清洁，然后放入TiO₂溶胶中浸泡一定时间，取出烘干，最后在300-400℃下煅烧0.5-2h，碳基电极表面形成TiO₂溶胶颗粒种子层。

水热法制备垂直生长的TiO₂纳米片：配置一定浓度的氢氧化钠溶液，加入一定量的结构诱导剂，充分搅拌后小心地倒入聚四氟乙烯反应釜中，同时将附着有TiO₂溶胶的碳基底竖着放入反应釜中，120-250℃保温12-48h，反应结束后，将所制备的样品用超纯水反复冲洗干净，再用酸浸泡至中性后在40-80℃烘箱中烘干。

煅烧形成不同的晶型结构：在N₂气氛中于450-800℃下煅烧1-5h即得到不同晶型垂直生长的TiO₂纳米片。

实施例1：取10M氢氧化钠溶液40ml倒入体积为50ml的聚四氟乙烯反应釜中，再加入0.2g活性炭粉，搅拌均匀后竖着放入附着有TiO₂溶胶种子层颗粒的碳基电极，180℃水热反应24h，反应结束后取出样品用超纯水反复冲洗，随后用0.1M盐酸浸泡至中性，80℃烘干后在N₂气氛中于550℃煅烧1h即得到锐钛矿型的垂直碳基电极表面生长的TiO₂纳米片。

实施例2：取10M氢氧化钠溶液40ml倒入体积为50ml的聚四氟乙烯反应釜中，再加入0.3g碳纳米管，搅拌均匀后竖着放入附着有TiO₂溶胶种子层颗粒的碳基电极，200℃水热反应28h，反应结束后取出样品用超纯水反复冲洗，随后用0.1M盐酸浸泡至中性，80℃烘干后在N₂气氛中于700℃煅烧2h即得到锐钛矿与金红石混合晶型的垂直碳基电极表面生长的TiO₂纳米片。

实施例3：取10M氢氧化钠溶液40ml倒入体积为50ml的聚四氟乙烯反应釜中，再加入0.3g活性炭颗粒，搅拌均匀后竖着放入附着有TiO₂溶胶种子层颗粒的碳基电极，150℃水热反应32h，反应结束后取出样品用超纯水反复冲洗，随后用0.1M盐酸浸泡至中性，80℃烘干后在N₂气氛中于500℃煅烧2h即得到锐钛矿型的垂直碳基电极表面生长的TiO₂纳米片。

制备的TiO₂纳米片在碳基电极表面上生长均匀，长度大约是2-5μm，宽介于200-600nm之间，密度可根据实际需要由表面吸附的种子层厚度控制。

Claims (4)

1.一种垂直生长TiO₂纳米片，其特征是，采用结构诱导剂，水热法在碳基电极上原位生长与碳基电极表面垂直的TiO₂纳米片；TiO₂纳米片2-5μm长，200-600nm宽，生长密度可根据表面吸附的溶胶种子层控制。

2.根据权利要求1所述的一种垂直生长TiO₂纳米片，其特征是所述结构诱导剂是石墨颗粒、活性炭粉、碳纳米管或石墨烯。

3.根据权利要求1所述的一种垂直生长TiO₂纳米片，其特征是修饰后的碳基电极具有优良的界面电子导电性，超亲水性，良好的生物相容性。

4.一种如权利要求1或2所述的一种垂直生长TiO₂纳米片的制备方法，其特征是制备步骤为：

第一步，基底预处理：适当清洁的碳电极浸泡于TiO₂溶胶中一定时间，取出烘干，随后在300-400℃下煅烧0.5-2h即在碳电极表面形成TiO₂溶胶颗粒种子层。

第二步，水热法制备垂直生长的TiO₂纳米片：配置一定浓度的氢氧化钠溶液，加入结构诱导剂粉末，倒入聚四氟乙烯反应釜中，同时将附着有TiO₂溶胶的碳基底竖着放入反应釜中，120-250℃保温12-48h，反应结束后，将所制备的样品用超纯水反复冲洗干净，再用酸浸泡至中性后在40-80℃烘箱中烘干；

第三步，煅烧形成不同的晶型结构：在N₂气氛中于450-800℃下煅烧1-5h即得到不同晶型垂直生长的TiO₂纳米片。