[發明專利]一種一維自摻雜二氧化鈦納米材料的制備方法及所得產品

有效

• 申請號: 201510035519.8
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104628031B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 王俊鵬;楊萍;劉雨萌
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: C01G23/08
• 分類號: C01G23/08;B01J21/06
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所37218
• 代理人: 賈波

技術領域

本發明涉及一種溶劑熱法制備三價鈦離子摻雜的一維二氧化鈦納米材料的方法，屬于二氧化鈦材料制備技術領域。

背景技術

隨著當今社會能源損耗與環境污染問題愈加嚴重，人們的生活與健康越來越受到威脅。二氧化鈦材料由于其成本較低、化學性質穩定、較強氧化還原能力、光催化活性高、生物相容性等優點，受到來自材料、化學、生物等領域的學者的廣泛重視。人們已經制備出了各種形貌的經摻雜改性的二氧化鈦。一維TiO₂納米材料在保持了其傳統特點的同時，又增大了二氧化鈦的比表面積，提高了吸附能力，光催化活性也極大進步，在降解有機物、光解水產氫、太陽能電池等領域具有廣泛的應用前景。但由于二氧化鈦僅在紫外光范圍內有響應，其電子與空穴復合率較高，降低了光量子的產率等問題，極大的限制了TiO₂在光電領域的進一步應用。

對TiO₂進行摻雜是調整其能帶結構、拓展光吸收范圍最有效的手段之一，然而在TiO₂中引入異質元素的同時，容易產生團簇，作為載流子的復合中心反而降低了TiO₂的光催化活性，近年來研究發現，通過三價鈦或者氧空位對TiO₂進行自摻雜同樣能夠拓展TiO₂的光吸收范圍，并且能有效的避免異質元素的引入。為此，眾多學者不斷探尋制備自摻雜二氧化鈦納米材料的新方法，例如水熱法、電解法、溶膠凝膠法、模板法等，這些方法存在工藝復雜、成本較高或尺寸形貌可控性差等缺陷。在制備三價鈦自摻雜二氧化鈦的過程中，最大的問題是如何穩定TiO₂中的三價鈦，以得到具有大比表面積的自摻雜的TiO₂。運用簡單、可重復性好、低成本的合成方法制備一維三價鈦摻雜的二氧化鈦納米材料仍是較大的挑戰。

發明內容

針對現有方法的不足，本發明提供了一種三價鈦自摻雜的一維自摻雜二氧化鈦納米材料的制備方法，該方法操作過程簡單，形貌可控性強，所得產品穩定性強，具有良好的可見光吸收能力。

本發明利用固體粉末作為鈦源，一步堿式水熱法再經高溫退火制備尺寸可調的自摻雜一維二氧化鈦納米線/納米帶，該方法制備的樣品在可見光區域具有良好的吸收能力，穩定性好，在光催化性能、光解水和太陽能電池方面具有很大的發展前景。通過改變制備條件，還可以得到不同尺寸的納米線和納米帶，形貌可控性強，具有很強的實用性。

具體技術方案如下：

一種一維自摻雜二氧化鈦納米材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）將堿的水溶液與鈦源混合，攪拌均勻，得前驅體溶液；

（2）將前驅體溶液在120-220℃下進行反應，反應后離心分離、洗滌得到鈦酸鹽納米材料；

（3）將鈦酸鹽納米材料在酸中進行離子交換，得鈦酸納米材料；

（4）將鈦酸納米材料進行煅燒，得Ti³⁺摻雜的一維自摻雜二氧化鈦納米材料。

上述步驟（1）中，所述鈦源為三氧化二鈦、硼化鈦或硅化鈦。目前制備自摻雜二氧化鈦大部分都是以市售二氧化鈦為原料，成本高，本發明方法可以以三氧化二鈦、硼化鈦或硅化鈦為原料，選擇性大，成本低。

上述步驟（1）中，所述堿為氫氧化鈉。

上述步驟（1）的前驅體溶液中，鈦源與堿的質量比為1:40-80。

上述步驟（1）的前驅體溶液中，堿與水的質量比為1-2:5。

本發明所得一維自摻雜二氧化鈦納米材料為一維自摻雜二氧化鈦納米線或一維自摻雜二氧化鈦納米帶，形貌的變化由水熱反應溫度控制。當步驟（2）中溫度為120-170℃時，所得產品為一維自摻雜二氧化鈦納米線，當步驟（2）中溫度為180-220℃時，所得產品為一維自摻雜二氧化鈦納米帶。

上述步驟（2）中，反應36-48h。

上述步驟（3）中，酸的濃度為0.1~0.2mol/L。酸洗能使氫離子交換出鈦酸鹽中的陽離子，得到鈦酸。

上述步驟（3）中，所述酸為鹽酸。

上述步驟（3）中，酸交換時間為20-24?h。