[發明專利]一種碳包覆超薄暴露(010)晶面單晶二氧化鈦納米帶及其制備方法

在審

• 申請號: 201711418910.1
• 申請日: 2017-12-25
• 公開（公告）號: CN107973342A
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 趙才賢;陳烽;蘭富軍;李靖娥;羅和安
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: C01G23/053
• 分類號: C01G23/053;C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00;C01B3/04
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技術領域

本發明涉及一種一維納米材料制備技術范圍，特別涉及一種碳包覆超薄暴露(010)晶面單晶二氧化鈦納米帶及制備方法。

背景技術

納米二氧化鈦是一種多功能半導體材料，在光催化、染料敏化太陽能電池、氣體傳感器及納米器件等領域都有著廣泛的應用。納米二氧化鈦的形貌有很多種。研究表明，納米二氧化鈦的形貌對其性能有非常重要的影響(ZL 2010101333235.x；ZL 201110028734.7；Energy Environ.Sci.,2014,7:1700)。一維納米帶的任意垂直截面是矩形，晶體結構具有各向異性，內部無晶界和缺陷，是理想的單晶線型薄片結構。此外，一維納米帶材料也能夠有效克服零維納米粒子體系回收重復使用困難等問題。因此，自2001年王中林教授報道氧化鋅納米帶以來，一維帶狀材料受到了人們的廣泛關注。

近年來，人們通過水熱法、電化學法、模板法、微乳液法等方法，成功制備出一維二氧化鈦納米帶。中國專利(專利申請號CN 105347393A)采用小分子配體水熱法制備厚度僅2～5nm的超薄二氧化鈦納米帶。由于該超薄二氧化鈦納米帶的厚度非常薄，光生載流子遷移到催化劑表面的距離很短，因此，能夠有效避免光生電荷對的體相復合。但是，由于二氧化鈦是一種寬帶隙半導體材料(3.0～3.2eV)，僅在紫外光范圍(約占太陽能的4％左右)具有光催化活性，而太陽光能量主要集中在400～800nm的可見光范圍。因此，如何提高一維超薄二氧化鈦納米帶的可見光響應活性，以及進一步提高其光生載流子分離效率，對于該類材料的實際應用意義重大。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種碳包覆超薄暴露(010)晶面單晶二氧化鈦納米帶。本發明要解決的另一個技術問題是提供一種碳包覆超薄暴露(010)晶面單晶二氧化鈦納米帶的制備方法。

本發明的目的是通過如下方式實現的：一種碳包覆超薄暴露(010)晶面單晶二氧化鈦納米帶，二氧化鈦納米帶的厚度為2～5nm，寬度為10～20nm，暴露(010)晶面，晶型為單晶銳鈦礦；碳包覆層為石墨化碳層，厚度約為1～5nm。

一種碳包覆超薄暴露(010)晶面單晶二氧化鈦納米帶的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

a)將納米二氧化鈦，強堿溶液及(或)小分子配體混合均勻，然后倒入水熱反應釜中進行水熱反應。反應結束后，自然冷卻至室溫，傾去堿液，然后用(1)含小分子配體的酸溶液酸化、再用(2)含小分子配體的去離子水溶液反復洗滌至約中性，制得表面小分子配體修飾的超薄鈦酸納米帶；

b)在惰性氣體保護下，將制備好的表面小分子配體修飾的超薄鈦酸納米帶于300～700℃熱處理0.5～10h，即制得碳包覆超薄暴露(010)晶面單晶二氧化鈦納米帶。

所述強堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀中的一種或其組合；所述小分子配體為苯酚、苯甲醇、苯乙醇、苯丙醇中的一種或其組合；所述強堿溶液的濃度為5～10mol/L；所述水熱反應納米二氧化鈦與小分子配體的質量比為1：1～1：10；所述水熱反應溫度為130～180℃，反應時間為10～72h；所述(1)含小分子配體的酸溶液是指0.1mol/L的鹽酸或硝酸，小分子配體的濃度為0.01～0.15mol/L；所述(2)含小分子配體的去離子水溶液的濃度為0.01～0.15mol/L；所述惰性氣體是指氮氣、氬氣之一種或其組合；所述熱處理為熱輻射加熱、微波加熱之一種或其組合。

本發明具有實質性特點和顯著進步：1.本發明所述碳包覆超薄暴露(010)單晶二氧化鈦納米帶具有優異的太陽能驅動光催化活性。測試結果表明，在1個太陽強度的AM 1.5G模擬太陽光輻照下，碳包覆超薄暴露(010)單晶二氧化鈦納米帶的光解水產氫速率高達42mmol/h/g光催化劑，約為未改性超薄單晶二氧化鈦納米帶(7.6mmol/h/g)的5.5倍；2.采用本發明所述的碳包覆超薄暴露(010)單晶二氧化鈦納米帶的制備方法，利用超薄鈦酸納米帶表面的小分子配體作為碳源，能夠有效簡化該類光催化劑的制備工藝，達到降低生產成本的目的。此外，碳包覆層的厚度也可通過調節酸液及水洗溶液中小分子的濃度進行控制。因此，本發明所提供的碳包覆超薄暴露(010)二氧化鈦納米帶及其制備方法在光解水制氫、太陽能敏化染料電池、光催化水體凈化、空氣凈化、氣體傳感器、自清潔材料、抗菌消毒等方面具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1本發明實施例3制備的表面小分子配體修飾的超薄鈦酸納米帶的透射電子顯微鏡圖(TEM)。