[發明專利]一種摻鐵TiO2納米管的制備方法

有效

• 申請號: 201110197913.3
• 申請日: 2011-07-15
• 公開（公告）號: CN102350352A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 李國華;胡素娟
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B01J23/745
• 分類號: B01J23/745;B01J37/03;B01J35/10
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;俞慧

(一)技術領域

本發明涉及一種摻鐵二氧化鈦(TiO₂)納米管的制備方法。

(二)背景技術

納米TiO₂由于其無毒、光化學性質穩定性好、催化效率高、氧化能力強，且在實際應用中工藝流程簡單、操作條件容易控制、無二次污染等優勢成為一種優良的光催化材料。在眾多形貌的納米TiO₂材料中，TiO₂內米管具有比納米粉體和納米薄膜更大的比表面積、孔體積和更高的表面能，表現出顯著的尺寸效應，同時還具有更強的吸附能力，因此表現出更高的光催化性能和光電轉化效率，并且在實際光催化、氣敏傳感器、光解水制氫、太陽能電濁、生物材料等領域已顯示出極大的應用前景。

然而由于TiO₂納米管帶隙較寬(銳鈦礦可達3.2eV)，其吸收閾值為387.5nm，只能吸收紫外光，在可見光范圍內基本沒有響應，對太陽光利用率低(約3％～5％)；另一方面，二氧化鈦光生載流子的復合率高，在ns到ps時間范圍內電荷載流子就能復合。這些都是制約TiO₂納米管大規模應用的關鍵因素。

李靜等[鐵摻雜TiO₂內米管陣列制備及其光電化學性質，電化學，第14卷第2期，2008年5月]應用電化學陽極氧化法，以Fe(NO₃)₃-HF的混合水溶液作電解液在Ti基底上制備Fe摻雜TiO₂內米管陣列。FESEM、Raman、XPS、DRS等測試表明：經Fe摻雜的TiO₂內米管陣列，管徑50-90nm，管長約200nm。與未摻雜TiO₂納米管陣列相比，前者的紫外可見起始吸收帶邊隨著Fe摻入量的增加而紅移；而光電化學性質如光電流也隨之顯著提高。

宋旭春等[水熱法合成摻雜鐵離子的小管徑TiO₂內米管，無機化學學報，第19卷第8期，2003年8月]采用溫和的水熱法，以粒徑30.3nm和41.7nm的銳鈦礦相和金紅石相摻鐵二氧化鈦納米粉體為前驅體合成了摻鐵二氧化鈦納米管，并發現金紅石相摻鐵二氧化鈦納米粉體為前驅體可以得到長約200nm，管徑10nm左右的摻鐵二氧化鈦納米管。

但是上述方法存在著制備費用高昂，不易放大實驗，不適合于工業化生產得缺點。

模板合成TiO₂納米管法由于具有直接、簡單、高效等優點而成為公認的理想合成方法。所謂模板合成就是將具有納米結構、價廉易得、形狀容易控制的物質作為模板，通過物理或化學的方法將相關材料沉積到模板的孔中或表面，而后移去模板，得到具有模板規范形貌與尺寸的納米材料的過程。但是，目前采用模板法以鐵黃(α-FeOOH)為自犧牲模板，制備摻鐵TiO₂納米管的文獻未曾報道。

(三)發明內容

本發明要解決的技術問題在于提供一種摻鐵二氧化鈦(TiO₂)納米管的制備方法，該方法產率高、成本低，工藝過程容易控制，對設備要求不高，適于工業化生產；并且制得的摻鐵二氧化鈦(TiO₂)納米管相比于常規的納米二氧化鈦材料，光催化活性得到增強。

為解決上述技術問題，本發明利用具有穩定結構的廉價鐵黃(α-FeOOH)作為自犧牲模板，在溶液反應過程中，TiO₂逐步生長在鐵黃表面，形成具有一定厚度的TiO₂層，隨著反應溫度升至90℃，模板鐵黃逐漸溶解，大量的鐵離子摻雜到TiO₂的晶格中，形成具有鐵黃形貌的兩端閉合中空長管狀結構。此外，在鐵離子溶解摻雜TiO₂晶格過程中引入新電荷、形成缺陷或改變晶格類型，從而改變光生電子和空穴的運動狀況，降低電子-空穴的復合率，減小TiO₂的禁帶寬度，從而能拓展光譜的響應范圍直至可見光區，提高太陽光的利用率。

本發明具體采用如下技術方案：

一種摻鐵TiO₂納米管的制備方法，包括如下步驟：將四氯化鈦配制成水溶膠，水溶膠放置老化后再加水稀釋，得到無色透明溶液；在室溫條件下取鐵黃加入到無色透明溶液中，將混合液逐漸加熱至80～100℃并恒溫水浴均勻攪拌1～3h，得到沉淀物，所得沉淀物經水洗、干燥、研磨即得所述的摻鐵TiO₂納米管；加入的鐵黃中Fe與加入的四氯化鈦中的Ti的物質的量比為0.5～1.5∶1。