[發明專利]一種多孔二氧化鈦單晶材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810864447.1
• 申請日: 2018-08-01
• 公開（公告）號: CN110791808B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 謝奎;林國明;程方圓
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B29/64;C30B1/10
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 楊曉云

本申請公開了一種多孔二氧化鈦單晶材料及其制備方法和應用，所述多孔二氧化鈦單晶材料中含有10nm～1000nm的孔。所述多孔二氧化鈦單晶薄膜及體塊的致密性好，結合牢固。該晶體材料的制備方法操作簡單、重復性好、價格低廉、可規模化生產。二氧化鈦作為最重要的半導體之一，已被廣泛應用在光催化、太陽能電池、傳感器等領域。

技術領域

本申請涉及一種多孔二氧化鈦單晶材料及其制備方法和應用，屬于無機材料領域。

背景技術

二氧化鈦是一種具有寬禁帶的半導體材料，它具有優良的化學穩定性和熱穩定性，良好的介電性質、電荷傳送和光催化特性，抵抗電化學腐蝕特性等。二氧化鈦每一種晶型都表現出不同的性質。銳鈦礦和金紅石型納米二氧化鈦在已被廣泛應用到光催化、太陽能電池、發光材料、電子器件等領域。

多孔二氧化鈦在光催化，電化學能源存儲及太陽能電池領域具有重要的應用。光催化劑納米粒子在一定的波長的光線照射下受激生成電子-空穴對，空穴分解催化劑表面吸附的水產生氫氧自由基，電子使其周圍的氧還原成活性離子氧，從而具備極強的氧化-還原作用，將光催化劑表面的各種污染物摧毀。在光催化技術領域中，所采用的半導體光催化劑大多是n型半導體材料，尤其是以二氧化鈦材料使用最為廣泛。銳鈦礦型二氧化鈦是一種寬禁帶半導體，具有活化性高、穩定性好、物理和化學性質穩定、光催化性能優異、價格低廉等特點。

在制備太陽能電池的光陽極方面，基于燒結或者壓實的銳鈦礦納米粒子作為光陽極材料的根本缺點是材料的電子遷移率相比單晶急劇下降。這源于大量的晶界以及缺乏電荷向背電極的直接傳輸通道。換言之，長得電子擴散路徑(隨機的游離通過粒子網絡)被引入顆粒結構中。結果燒結銳鈦礦納米顆粒層的電子遷移率比銳鈦礦型二氧化鈦單晶低6～8個數量級。目前制備的多孔二氧化鈦電極，都是基于無定型或者多晶的二氧化鈦粉末，晶界眾多，表面的終止原子不確定。因此，有必要提供一種制備大尺寸納米多孔二氧化鈦單晶晶體的方法，來為光催化領域和電化學領域提供優質的大尺寸的納米多孔二氧化鈦單晶材料。

發明內容

根據本申請的一個方面，提供了一種多孔二氧化鈦單晶材料，所述多孔二氧化鈦單晶材料具有大尺寸，多孔結構，以解決上述背景技術中的問題。

本申請涉及一種大尺寸多孔二氧化鈦單晶材料的制備方法，該方法主要是以磷酸鈦氧鉀單晶(KTiOPO₄，以下簡稱KTP)或者鈦酸鋅(Zn₂TiO₄，以下簡稱ZTO)單晶為襯底，通過分解反應，制備多孔二氧化鈦單晶材料。制備多孔二氧化鈦單晶的方法：將KTP單晶或者ZTO單晶襯底置于高溫含不同組分的氣氛中，通過一定速率的升溫加熱結晶生成多孔二氧化鈦單晶。與現有技術相比，本申請中所述的多孔二氧化鈦單晶材料中含有10nm～1000nm的孔，且制得的多孔二氧化鈦單晶薄膜及體塊的致密性好，結合牢固。此外，所述晶體材料的制備方法操作簡單、重復性好、價格低廉可規模化生產。二氧化鈦作為最重要的半導體之一，已被廣泛應用在光催化、太陽能電池、傳感器等領域。

所述多孔二氧化鈦單晶材料，其特征在于，所述多孔二氧化鈦單晶材料中含有10nm～1000nm的孔。

可選地，所述多孔二氧化鈦單晶材料中含有20nm～1000nm的孔。

可選地，所述多孔二氧化鈦單晶中的孔為連通多孔。

可選地，所述二氧化鈦單晶包括銳鈦礦型二氧化鈦單晶、金紅石型二氧化鈦單晶。

可選地，所述多孔二氧化鈦單晶材料中含有10nm～500nm的孔。

可選地，所述多孔二氧化鈦單晶的表面為多孔二氧化鈦單晶的(100)面、(110)面、(101)面、(001)面中的至少一面。

可選地，所述多孔二氧化鈦單晶材料為多孔二氧化鈦單晶薄膜和/或多孔二氧化鈦單晶晶體。