[發明專利]一種銳鈦礦型TiO2納米片的制備方法及應用

無效

• 申請號: 201310098507.0
• 申請日: 2013-03-26
• 公開（公告）號: CN104071833A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 鄧偉僑;姜磊
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C01G23/053
• 分類號: C01G23/053;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術領域

本發明涉及納米光電技術、太陽能電池等領域，具體涉及一種銳鈦礦型TiO₂納米片的制備方法及應用。

背景技術

目前，能源和環境問題已經成為世界關注的焦點，如何對污染物進行有效的處理和如何開發新型綠色可再生能源已經成為目前科技界研究探索的重要領域。

納米材料尺寸介于原子、分子和宏觀物體之間。由于其組成單元的尺寸小，界面占用相當大的成分。因此，納米材料具有多種特點，在醫藥、電器、環境科學、機械工業及新能源開發方面都具有廣泛的應用。隨著納米科技的發展，人們可以按照意愿及所需要的材料特性設計、組裝、創造新型納米結構。納米材料的廣泛應用為解決目前能源短缺和環境污染提供了技術基礎。

納米TiO₂是目前應用最為廣泛的一種納米材料，TiO₂作為一種N型寬禁帶半導體，禁帶寬度3.2eV，具有很強的吸收紫外線能力，較好的熱穩定性，化學穩定性和優良的光學、電學及力學等方面的特性。因此，TiO₂納米材料在光催化廢物降解、空氣凈化、紫外線吸收劑、高效光敏催化劑、防曬護膚品、染料敏化太陽電池、廢水處理、精細陶瓷及氣敏傳感器元件等領域具有廣泛的應用前景。目前，市場上應用廣泛的基本為顆粒狀納米TiO₂，顆粒狀納米TiO₂一般以（101）晶面為主要暴露晶面。而晶面的平均表面能大小則為（001）晶面0.90J/m²>（100）晶面0.53J/m²>（101）晶面0.44J/m²。片狀納米TiO₂由于其絕大部分暴露面為（001）晶面，因此具有較高的表面能量，與常見的TiO₂納米顆粒相比具有較高的化學活性，并表現出卓越的光催化性能。而且由于二氧化鈦半導體晶體的各向異性，（001）晶面的導電率要高于（101）晶面。因此光生電子的輸運效率在（001）晶面上將顯著提高，從而降低了電子和空穴在半導體內的復合效率。所以具有大量（001）晶面的銳鈦礦型二氧化鈦納米片作為染料敏化太陽電池的電極材料可以顯著提高電池的光電轉換效率。

目前，具有高活性（001）晶面TiO₂納米片的合成以及應用已有報道，2008年楊（yang）等人在Nature上首次報道了合成具有（001）晶面的片狀納米TiO₂顆粒（Anatase?TiO2?single?crystals?with?a?large?percentage?of?reactive?facets.Nature?2008,453,638-641.）。但制備出的二氧化鈦納米顆粒尺寸較大在微米級別，在光催化降解和染料敏化太陽電池應用方面得到限制。目前合成二氧化鈦納米片的方法主要有兩種一是由鈦酸四正丁酯和HF酸在水熱條件下制備獲取的，二是利用含氟的四氟化鈦，利用其水解產生的氫氟酸來控制晶體形貌降低（001）晶面的表面能，從而在二氧化鈦的生長中有更多的（001）晶面暴露出來。但這兩種制備方法存在以下缺點：第一，利用鈦酸四正丁酯為鈦源合成的片狀納米TiO₂顆粒尺寸一般在都在100納米至幾微米，文獻報道尺寸的在60納米左右時，制備的二氧化鈦納米顆粒中只有70%左右的片狀結構，（001）晶面所占比例降低。而且由于其尺寸偏大，光的透過率減小，反射率增加等因素，使其不適合應用于染料敏化太陽電池中。第二，四氟化鈦的價格比一般鈦源價格要高，而且及易吸收空氣中的水分，因此這種制備方法的成本偏高不適于工業的大量生產。因此，如何開發成本低廉的具有較高光電性能的小尺寸二氧化鈦納米片成為了當前的一個技術難題。

發明內容

本發明的目的是提供一種銳鈦礦型TiO₂（二氧化鈦）納米片的制備方法及應用。該方法制備出的二氧化鈦納米片是平均長度和寬度為40納米，平均厚度為5納米，以高活性（001）晶面為主要暴露晶面的小尺寸二氧化鈦納米片。

本發明提供了一種銳鈦礦型TiO₂納米片的制備方法，該方法具體步驟如下：

（1）將3～9毫升的四氯化鈦（TiCl₄）緩慢的加入9～30毫升溶劑中并在攪拌的狀態下加入1～5毫升氫氟酸（晶體形貌控制劑），持續攪拌30分鐘得到澄清的混合溶液；

（2）將步驟（1）得到的混合溶液放入有聚四氟乙烯內膽的不銹鋼反應釜中；