[發明專利]快速沉積納米粒子于二氧化鈦納米管陣列以提高其光電催化性能的方法

無效

• 申請號: 201010126713.4
• 申請日: 2010-03-17
• 公開（公告）號: CN101857194A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 潘登余;李珍;馮娟娟;晏秀妹;吳明紅
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;B01J21/06;B01J37/34
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及將膠態的納米二氧化鈦粒子填入二氧化鈦納米管陣列孔道內以提高其光電催化性能的方法，主要采用了方便快捷的超聲處理方法，本發明屬納米材料制備技術領域。

背景技術

納米二氧化鈦廣泛應用于敏化太陽能電池、環境污染物降解、光解水制氫、氣敏等技術領域，是最受重視、最被廣泛研究的納米材料之一。在各種各樣的二氧化鈦納米結構中，二氧化鈦納米管陣列由于其獨特的有序孔道結構和大的比表面積在敏化太陽能電池和光催化應用中備受特別關注。然而，二氧化鈦納米管陣列應用于上述技術領域需要克服一些自身缺陷，主要表現在無可見光敏感性，因而不能直接應用于廉價的太陽能技術領域。為此，在納米管陣列內填入可起到可見光敏化作用的CdSe和CdS等類型的納米粒子。目前所采用的填入納米粒子于孔道內的方法有原位反應法和浸入法。原位反應填入CdS粒子的方法是將二氧化鈦納米管陣列反復依次浸入Cd²⁺和S^2-的水溶液直到所需要的填充度。這種方法復雜且受到反應的限制。浸入法制備CdSe修飾的二氧化鈦納米管陣列是將二氧化鈦納米管陣列浸入CdSe量子點的甲苯溶液。因為CdSe量子點與二氧化鈦納米管壁的作用很弱，所以需要表面功能化處理，且需要長的浸泡時間(3天)。為克服上述方法的局限性，本發明采用了簡單快捷的超聲法，即將二氧化鈦納米管陣列浸入適當濃度的納米粒子膠態分散系超聲10秒即可，不需要任何的表面功能化處理。

發明內容

本發明的目的是提供一種快速沉積納米粒子于二氧化鈦納米管陣列以提高其光電催化性能的方法，其中關鍵的步驟是采用超聲波處理方法，將分散在溶液中的膠態納米粒子在超聲波的作用下快速沉積到二氧化鈦納米管陣列的管壁，達到修飾二氧化鈦納米管陣列的目的。

本發明一種快速沉積納米粒子于二氧化鈦納米管陣列以提高其光電催化性能的方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟：

a.二氧化鈦納米管陣列的制備：將工業純鈦片超聲清洗后干燥，然后在HF、HNO₃和水的混合溶液中化學拋光，合溶液中三者的體積比為HF∶HNO₃∶H₂O＝1∶4∶5；采用陽極氧化法，即采用兩電極體系，將鈦片、鉛板分別按到直流穩壓電源的正負極，以0.4wt％NH₄F，含有2wt％H₂O的乙二醇溶液作為電解液，施加60V直流電壓進行電化學陽極氧化過程而制備得TiO₂納米管陣列；然后超聲清洗，干燥后在空氣氣氛中450℃退火，恒溫2小時，待其自然冷卻；

b.水溶性二氧化鈦納米晶的制備：取一定質量的鈦酸丁酯(TNB)和聚乙二醇(PEG)按摩爾比1∶1相配合，并劇烈攪拌使混合均勻，得到糊狀液；然后滴加一定量的濃鹽酸至反應體系變澄清；然后將混合液移至Teflon高壓反應釜，并放置在電烘箱內在150℃下反應5～6小時，得到濃稠白色乳液；經洗滌，離心分離、，真空干燥，得白色塊體，再經研磨后得白色二氧化鈦納米晶粉末；

c.水溶性二氧化鈦納米晶在二氧化鈦納米管陣列管壁內的沉積：將上述制備好的二氧化鈦納米管陣列垂直浸泡在0.05mol/L水溶性二氧化鈦溶液中，用40W功率的超聲發生裝置進行超聲處理，處理時間為10～20秒，然后取出進行干燥，最終得到沉積有納米晶的二氧化鈦納米管陣列。

本發明方法的特點及原理如下所述：本發明采用超聲法將分散在溶液中的膠態納米粒子在超聲的輔助下快速沉積到二氧化鈦納米管陣列的管壁，達到修飾二氧化鈦納米管陣列的目的。其原理是，在超聲的條件下，納米粒子獲得大的動能，與管壁碰撞產生大的相互作用導致在管壁上的快速沉積。因為超聲時間極短，沒有出現納米管陣列結構的破壞以及納米粒子阻塞管口等后果，因而該方法是較理想的。

本發明方法的優點是：本方法簡單易行，不需要任何的表面功能化處理，超聲時間極短，沒有出現納米管陣列結構的破壞以及納米粒子阻塞管口等問題。同時，研究了沉積前后二氧化鈦納米管陣列的光電流響應和光電催化甲基橙的變化，發現沉積銳鈦礦型二氧化鈦納米晶后，二氧化鈦納米管陣列的光電催化和光電流響應顯著增強。

附圖說明

圖1為本發明中陽極氧化法制備的二氧化鈦納米管陣列的掃描電鏡(SEM)圖。

圖2為本發明中沉積二氧化納米晶的二氧化鈦納米管陣列的掃描電鏡(SEM)圖。

圖3為沉積二氧化鈦納米晶前后納米管陣列光電催化降解甲基橙實驗結果對比曲線圖。