CN107628641A - 一种二氧化钛纳米线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化钛纳米线及其制备方法，所述制备方法包括以下过程：（1）将钛源与有机试剂混合，在碱的作用下进行水热反应，得到纳米钛盐；（2）将所述纳米钛盐与酸反应，得到中间产物；（3）将所述中间产物焙烧，得到所述二氧化钛纳米线。本发明可得到纳米线形态的二氧化钛，且生产效率高，生产成本低。

Description

一种二氧化钛纳米线及其制备方法

技术领域

本发明涉及二氧化钛纳米线的技术领域。

背景技术

纳米TiO₂作为一种n型半导体，可广泛应用于太阳能电池、光催化分解水制氢、光催化降解有机物、化学传感器、涂料等领域。

纳米TiO₂的常见微观形态包括纳米颗粒、纳米线、纳米带、纳米棒、纳米球、纳米管等，常见的晶体结构包括无定型、金红石型、锐钛矿型、混晶型等。其微观形态及晶体结构对纳米TiO₂的物理性能和化学性能均有重要的影响。

在不同的微观形态中，TiO₂纳米线具有极高的比表面积和规整性，具有较强的光吸收能力，在光吸收后，可产生较多的光生电子-空穴对，同时其线形形态较好地为电子传输提供了通道，有效减少了光生电子-空穴对复合的几率，表现出了优异的光电性能。

在现有技术中，水热法因其制备工艺简单，成本较低，是TiO₂纳米线制备方法中最具有实际应用前景的方法之一。现有技术中采用水热法制备TiO₂纳米线主要包括以下两种：其一是将现有的TiO₂原料，如P25进行剥离、重结晶，再制得TiO₂纳米线；另一种为将钛源与酸等混合后在基底介质上生长得到TiO₂纳米线。这两种方法的制备步骤均较繁琐，生产成本较高，生产周期较长，且在制备过程中对TiO₂纳米线形态的控制难度较大。

发明内容

本发明的目的在于提出一种不需使用TiO₂作为原料，制备中不需基底介质的，能得到纳米线形态的TiO₂的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种二氧化钛纳米线的制备方法，其包括以下过程：

（1）将钛源与有机试剂混合，在碱的作用下进行水热反应，得到纳米钛盐；

（2）将所述纳米钛盐与酸反应，得到中间产物；

（3）将所述中间产物焙烧，得到所述二氧化钛纳米线。

在上述方案中，步骤（1）中碱的作用包括促进钛源与有机试剂反应；促进钛源与有机试剂反应后得到均一稳定的胶体；进一步与均一稳定的胶体反应生成纳米钛盐等；步骤（2）得到的中间产物在本发明的一个实施例中使用氢氧化钠作为碱时，其为纳米的偏钛酸钠。

一些进一步的优选包括：

所述钛源为钛酸丁酯。

所述有机试剂为乙醇。

所述钛源与有机试剂的体积比为1:1.5~3。

所述碱的浓度为5~15mol/L。

所述水热反应的温度为170~190℃。

所述步骤（2）中所述酸的H⁺的浓度为0.05~0.15mol/L。

所述步骤（3）中焙烧的温度为400~500℃。

或，进一步的优选方案为：

该二氧化钛纳米线的制备方法，包括以下过程：

（1）将8mL钛酸丁酯与16mL无水乙醇混合均匀，其后缓慢滴加3mL浓度为10mol/L的氢氧化钠，混合均匀，得到前驱体溶液；

（2）将所述前驱体溶液转移至水热合成反应釜中恒温180℃反应24h，得到纳米钛酸钠；

（3）将所述纳米钛酸钠与浓度为0.1mol/L的HCl的混合，磁力搅拌12h，其后将固体分离冲洗至中性，得到中间产物；

（4）将所述中间产物在450℃下焙烧2h，即得到所述二氧化钛纳米线。

在该优选实施方案中，通过原料之间的配比，离子浓度的控制，水热条件的选择，及焙烧条件的选择等多因素综合优化，可得到形貌优良、稳定的二氧化钛纳米线。在本发明的一个实施例中，使用该优选实施方案制备得到的二氧化钛纳米线为锐钛矿型晶体结构，其平均直径为200nm，直而均一，在光催化降解中显示出极高的降解效率。

本发明进一步提出一种二氧化钛纳米线，其可根据上述制备方法或其优选实施方式制备得到。

本发明的二氧化钛纳米线可应用于光催化反应中。

本发明具备以下有益效果：

（1）本发明的制备方法不需使用TiO₂作为原料制备纳米线形态的TiO₂，显著降低了生产成本，提高了生产效率；

（2）本发明的制备方法不需要使用基底介质即可得到形态完美的纳米线结构，显著降低了生产成本，提高了生产效率；

（3）本发明的制备方法使用一步水热法，极大地缩短了工艺流程，降低了生产周期，提高了生产效率；

（4）本发明的制备方法可在较简单的工艺步骤下制得形态较完美的二氧化钛纳米线，说明其过程中形态的控制较好；

（5）本发明的方法制得的TiO₂纳米线直径、长度较为均一，无明显的弯曲、团聚现象；

（6）本发明的方法制得的TiO₂纳米线具有良好的光催化作用，如实施例中将制得的TiO₂纳米线用于罗丹明B溶液的光催化降解中时， 0.1g的本发明的TiO₂纳米线光照两小时后降解率高达96%以上。

附图说明

图1为实施例1制得的TiO₂纳米线的X射线衍射图。

图2为实施例1制得的TiO₂纳米线的扫描电镜图。

图3为实施例1制得的TiO₂纳米线对罗丹明B溶液的光催化降解效率图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

实施例1

通过以下过程制备TiO₂纳米线：

（1）将8mL钛酸丁酯与16mL无水乙醇充分混合，磁力搅拌下缓慢滴入3mL的10mol/L的NaOH溶液，在磁力搅拌30min后得到均匀的前驱体溶液；

（2）将前驱体溶液置于50mL的水热反应釜内，在恒温干燥箱内180℃水热反应24h；

（3）将水热反应后得到的固体物质分离出，用0.1mol/L的HCl酸洗12h，将酸洗后的沉淀用去离子水洗至中性，再将水洗后的沉淀于80℃干燥箱里烘干，得到偏钛酸物；

（4）将烘干后的偏钛酸物研磨成粉末，放入马弗炉内，加热1h后升温至450℃，其后保温2h，而后其随炉冷却；

（5）将烧结后的产物研磨成粉末，即得到TiO₂纳米线粉末。

对本实施例制得的TiO₂纳米线进行X射线衍射图、扫描电镜观察、及对罗丹明B溶液的光催化降解试验，得到如附图1~3所示的结果，其中：

图1显示本实施例制得的TiO₂纳米线为锐钛矿相晶体结构；

图2显示本实施例制得的TiO₂纳米线直径、长度较为均一，无明显的弯曲、团聚现象，进一步的统计显示其平均直径为200nm；

图3的实验为：以350W氙灯模拟太阳光，在溶液浓度为20mg/L的罗丹明B溶液中投入本实施例制得的TiO₂纳米线粉末0.1g，光照两小时后其降解率高达96%以上。

实施例2

通过以下过程制备TiO₂纳米线：

（1）将钛源与有机试剂混合，在碱的作用下进行水热反应，得到纳米钛盐；

（2）将所述纳米钛盐与酸反应，得到中间产物；

（3）将所述中间产物焙烧，得到所述二氧化钛纳米线；

其中：

钛源为钛酸丁酯；

有机试剂为乙醇；

钛源与有机试剂的体积比为1:1.5~3；

碱的浓度为5~15mol/L，优选为强碱，进一步的，钛源与碱的体积比为1:0.3~0.4；

水热反应的温度为170~190℃，优选其反应时间为18~26h；

步骤（2）中所述酸的H⁺的浓度为0.05~0.15mol/L；

所述步骤（3）中焙烧的温度为400~500℃，优选焙烧时间为1.5~2.5h。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种二氧化钛纳米线的制备方法，其特征在于：其包括以下过程：

（1）将钛源与有机试剂混合，在碱的作用下进行水热反应，得到纳米钛盐；

（2）将所述纳米钛盐与酸反应，得到中间产物；

（3）将所述中间产物焙烧，得到所述二氧化钛纳米线。

2.根据权利要求1所述的二氧化钛纳米线的制备方法，其特征在于：所述钛源为钛酸丁酯。

3.根据权利要求1所述的二氧化钛纳米线的制备方法，其特征在于：所述有机试剂为乙醇。

4.根据权利要求1所述的二氧化钛纳米线的制备方法，其特征在于：所述钛源与有机试剂的体积比为1:1.5~3。

5.根据权利要求1所述的二氧化钛纳米线的制备方法，其特征在于：所述碱的浓度为5~15mol/L。

6.根据权利要求1所述的二氧化钛纳米线的制备方法，其特征在于：所述水热反应的温度为170~190℃。

7.根据权利要求1所述的二氧化钛纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述酸的H⁺的浓度为0.05~0.15mol/L。

8.根据权利要求1所述的二氧化钛纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中焙烧的温度为400~500℃。

9.根据权利要求1所述的二氧化钛纳米线的制备方法，其特征在于：其包括以下过程：

（1）将8mL钛酸丁酯与16mL无水乙醇混合均匀，其后缓慢滴加3mL浓度为10mol/L的氢氧化钠，混合均匀，得到前驱体溶液；

（2）将所述前驱体溶液转移至水热合成反应釜中恒温180℃反应24h，得到纳米钛酸钠；

（3）将所述纳米钛酸钠与浓度为0.1mol/L的HCl的混合，磁力搅拌12h，其后将固体分离冲洗至中性，得到中间产物；

（4）将所述中间产物在450℃下焙烧2h，即得到所述二氧化钛纳米线。

10.一种二氧化钛纳米线，其特征在于：根据权利要求1~8中任一项所述的制备方法制备得到。