[发明专利]一种制备密度可调的TiO2纳米棒阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种TiO₂纳米棒阵列的制备方法。

背景技术

纳米TiO₂化学性能稳定，其独特光学催化性能及其光电性能使其在催化剂、紫外射线吸收剂、光敏染料电池等领域具有广泛的应用前景。其独特的疏水性和超亲水性，使其在制造自清洁表面以及织构重建等生物医用材料领域有独特的应用。将纳米TiO₂制备于基板上可实现其光化学的器件化。TiO₂的三种晶型中，金红石较难在低温水热条件下制备，有关研究报道了玻璃导电基板上金红石纳米棒阵列的水热制备(Bin Liu，et al.Joumal ofthe American Chemical Society2009，131，(11)，3985-3990.)。其制备所得金红石纳米棒阵列应用于光敏染料电池光电转换率达到3％。US Patent Application 20100084008利用电喷涂方法，中国专利CN 101649483利用化学液相沉积在玻璃导电基板上制备一层TiO₂晶种，通过晶种诱导于基板上生成TiO₂纳米棒阵列实现了纳米TiO₂光化学器件化。现有通过种子层诱导基板上制备TiO₂纳米棒阵列的技术中，并未实现纳米棒阵列密度的完全可控。基板上纳米TiO₂的性质与其形貌、尺寸及密度密切相关，因此基板上制备可控TiO₂纳米棒阵列可使纳米TiO₂光化学器件化应用前景更加广泛。

发明内容

本发明的目的是提供一种在基板上制备密度可调的TiO₂纳米棒阵列的方法。

本发明的制备密度可调的TiO₂纳米棒阵列的方法，TiO₂纳米棒的直径为10nm～200nm，TiO₂纳米棒的密度分布范围为9.4×10²cm^-2～8.3×10¹³m^-2，制备步骤如下：

1)将钛酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩尔比1∶1～1.2∶0.3～0.4溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成钛浓度为0.1～0.3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮浓度为30～60mg/L的二氧化钛前驱体溶胶；

2)将二氧化钛前驱体溶胶在5～20℃下，以6000～8000rpm的速度旋涂到基板上，旋涂时间为30～40s，在基板上形成二氧化钛前躯体纳米点阵列溶胶膜，然后将基板放入马弗炉中在100-1000℃进行热处理；

3)将热处理后的基板放入钛酸盐与酸的混合水溶液中进行水热处理，混合水溶液中钛酸盐浓度0.02-0.05mol/L，酸的体积为混合水溶液体积的37％-50％，水热温度为80～220℃，水热时间为0.5～5h，得到在基板上的TiO₂纳米棒阵列。

本发明中，所述的钛酸盐为三氯化钛、四氯化钛、硫酸钛、氟化钛或钛酸四正丁酯。所述的酸可以是盐酸、硝酸、硫酸、油酸或醋酸。

本发明中，所述的基板可以是金属基板，也可以是玻璃、石英、硅等无机非金属基板。

本发明通过改变水热溶液中钛酸盐的浓度和水热时间可以改变TiO₂纳米棒阵列的直径。通过改变旋涂液中钛酸四丁酯及聚乙烯吡咯烷酮浓度和旋涂后基板热处理温度可以改变纳米点的晶相和密度，进而改变纳米棒阵列的密度。

本发明制备方法简单易行，操作简单，制得的TiO₂纳米棒阵列根据其不同的直径和密度，可实现对其表面润湿性、光催化性能以及光电性能的可控，广泛应用于光催化领域、光敏染料电池领域以及蛋白质折叠和织构重建等生物医学用材料领域。

附图说明

图1是TiO₂纳米棒阵列的SEM图。

具体实施方式

以下结合实例进一步说明本发明。

实例1

1)将钛酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩尔比1∶1∶0.3溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成钛浓度为0.1mol/L，聚乙烯吡咯烷酮浓度为30mg/L的二氧化钛前驱体溶胶；

2)将二氧化钛前驱体溶胶在20℃下，以6000rpm的速度旋涂到玻璃基板上，旋涂时间为35s，在基板上形成二氧化钛前躯体纳米点阵列溶胶膜，然后将玻璃基板放入马弗炉中在100℃进行热处理；