[發(fā)明專利]一種無定形層包覆的TiO2納米管的制備方法及其用途

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410321274.0
• 申請日: 2014-07-07
• 公開（公告）號(hào): CN104098134A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐東升;李建明;李琦
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): C01G23/053
• 分類號(hào): C01G23/053;C02F1/30;B01J21/06
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 李稚婷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備無定形層包覆的TiO₂納米管的方法及其在水處理、光催化、鋰離子電池、傳感、染料/量子點(diǎn)敏化太陽能電池領(lǐng)域的用途。

背景技術(shù)

二氧化鈦納米材料在光催化、水處理、鋰離子電池、傳感、染料/量子點(diǎn)敏化太陽能電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，二氧化鈦材料的控制合成技術(shù)是當(dāng)前材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

使用二氧化鈦納米材料來實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的光催化降解在環(huán)境領(lǐng)域備受關(guān)注，但是由于二氧化鈦屬于寬禁帶半導(dǎo)體，在進(jìn)行光催化降解時(shí)只有部分紫外光可以被其利用，而陽光中占主要成分的可見光由于無法被其吸收而得不到有效利用，因此光催化的整體效率不高。為了克服這個(gè)弱點(diǎn)，有研究者提出可以利用有機(jī)污染物自身吸收可見光的性質(zhì)，采用光敏化機(jī)制對其進(jìn)行降解(Chen,X.；Mao,S.S.Chem.Rev.2007,107,2891-2959；Chen,C.；Ma,W.；Zhao,J.Chem.Soc.Rev.2010,39,4206-4219；Hagfeldt,A.；Boschloo,G.；Sun,L.；Kloo,L.；Pettersson,H.Chem.Rev.2010,110,6595-6663.)。簡言之，在光敏化降解有機(jī)污染物過程中，有機(jī)污染物(實(shí)驗(yàn)中常用有機(jī)染料代替)吸收可見光后其電子注入二氧化鈦的導(dǎo)帶，而其自身成為帶有正電荷的自由基，而這類自由基通常比較活潑，會(huì)與水中的活性氧組分發(fā)生反應(yīng)而被降解。表征光敏化催化劑有兩個(gè)指標(biāo)：一個(gè)是降解速率，指染料分子的被剪切成分子片段的速率，通常用染料分子在可見光波段的光吸收降低的速率來代表；另一個(gè)為礦化速率，指染料分子被完全氧化成為二氧化碳并擴(kuò)散到空氣中的速率，通常用溶液中總的有機(jī)碳含量的減少來表征。光敏化機(jī)制克服了二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎μ柟獾睦眯实拖碌膯栴}，但目前報(bào)導(dǎo)的光敏化催化劑普遍存在著降解速率慢，尤其是礦化速率非常低，無法將有機(jī)污染物進(jìn)一步從小的分子片段氧化為無害的二氧化碳?xì)怏w。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有無定形層包覆的二氧化鈦納米管的制備方法及這種二氧化鈦納米管的用途。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種無定形層包覆的二氧化鈦納米管的制備方法，從氧化鈦粉體出發(fā)，首先通過水熱途徑在氫氧化鈉溶液中制備獲得鈦酸鈉納米管，經(jīng)過洗滌、酸交換之后得到鈦酸納米管，在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行退火處理即可得到具有無定形層包覆的二氧化鈦納米管。

本發(fā)明制備的無定形層包覆的二氧化鈦納米管主體為銳鈦礦相，具有一維管狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過退火溫度和時(shí)間的調(diào)節(jié)可以在二氧化鈦納米管的表面保留部分無定形的二氧化鈦。無定形二氧化鈦層的存在使得該材料具有較高的比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，同時(shí)也使得該材料在可見光區(qū)具有一定的吸光特性。根據(jù)上述二氧化鈦納米管的特征，可以將其應(yīng)用于水處理、傳感、染料/量子點(diǎn)敏化太陽能電池等領(lǐng)域。

本發(fā)明無定形層包覆的二氧化鈦納米管的制備流程如圖1所示，包括如下步驟：

1)將氧化鈦粉體與氫氧化鈉水溶液混合進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到鈦酸鈉納米管；

2)將鈦酸鈉納米管過濾、洗滌后在酸溶液中進(jìn)行酸交換，得到鈦酸納米管；

3)將酸交換的得到的鈦酸納米管洗滌、干燥后，經(jīng)退火處理得到無定形層包覆的二氧化鈦納米管。

進(jìn)一步的，步驟1)中所述氧化鈦粉體可以是二氧化鈦粉體、偏鈦酸、正鈦酸、鈦酸鈉、硫酸氧鈦、四氯化鈦或者它們的組合；所述氫氧化鈉水溶液的濃度在5～20mol/L；

步驟1)水熱反應(yīng)的溫度通常為100～250℃；時(shí)間為5～120小時(shí)，具體反應(yīng)時(shí)間與氧化鈦粉體的種類和反應(yīng)溫度有關(guān)。

步驟2)中所述酸溶液可以選擇鹽酸、硫酸、硝酸或者它們的組合，酸溶液的質(zhì)子濃度(以H⁺濃度計(jì))一般在0.001～1mol/L之間。

步驟1)水熱反應(yīng)后必須經(jīng)過多次過濾和洗滌，去除多余的氫氧化鈉，然后再進(jìn)行酸交換。

步驟3)在退火前進(jìn)行干燥的目的是為了除去沉淀吸附的水分，可以在60～100℃干燥或者采用30～60℃真空干燥。

步驟3)中的退火處理是為了使納米管的主體形成晶化較好的銳鈦礦相二氧化鈦，同時(shí)保留部分包裹在納米管外的無定形二氧化鈦，根據(jù)產(chǎn)品的不同用途，退火處理的溫度在250～450℃之間，處理時(shí)間在2～6小時(shí)之間。