[发明专利]一种二氧化钛纳米管阵列的低温结晶制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于制备多晶二氧化钛纳米管的技术领域，具体涉及一种二氧化钛纳米管阵列的低温结晶制备方法及其应用。

背景技术

能源是人类社会得以生存和发展的重要物质之一。全球经济的高速发展以及人口的不断增长将会消耗大量的能源。氢气是一种理想的、高效清洁的能源载体。从能源和环境两方面考虑，利用太阳能从水中制取氢气是未来最具吸引力的制氢途径之一。从实际应用的角度考虑，多晶TiO₂纳米颗粒电极由于其低廉的成本、高的比表面积以及易放大的电极面积而成为最具吸引力的太阳能光电催化制氢材料之一[Nature 1972；238：37-8]。但是，在传统的TiO₂纳米颗粒电极中，颗粒之间存在的大量边缘势垒增加了光生电子与空穴的复合几率，影响了电极的电荷收集效率。电化学阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列在保持多晶TiO₂电极高比表面积的同时，提供了单向的电学通道，从而减少了TiO₂颗粒之间的边缘势垒，提高了电极的电荷收集效率，表现出高的光电催化分解水制氢效率。Grimes等通过制备有序的TiO₂纳米管阵列结构显著提高了电极光电催化分解水产生氢气的速度[Nano Lett.2005，5，191-195.]。在紫外光照射下，氢气在纳米管阵列电极表面的溶出速度为80mL/h W cm²。然而，为了使TiO₂纳米管阵列具有高的光电催化活性，必须对其进行晶化处理。无定型的二氧化钛纳米管转化为锐钛矿型所需温度为450-500℃，能耗高，需在马弗炉中完成。如何降低二氧化钛纳米管的结晶温度是急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种二氧化钛纳米管阵列的低温结晶制备方法及其应用，该二氧化钛纳米管阵列的低温结晶制备方法操作简单、晶型转换温度低，进一步开发二氧化钛纳米材料在太阳能方面的应用。

本发明提出一种二氧化钛纳米管阵列的低温结晶制备方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：样品制备过程：

(1)将钛片依次放入丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗，吹干；

(2)室温下将清洗吹干后的钛片放入质量分数为0.2～0.5％的氢氟酸溶液中，进行阳极氧化，阳极氧化时，用夹子夹住钛片的上端，下端浸入氢氟酸溶液中，同时搅拌，其中氧化电压为12～30V，氧化时间为20～40min，进行阳极氧化时与铂片相对的表面为正面，背对铂片相对的表面为反面，氧化结束后钛片下端的两侧表面均形成无定形的二氧化钛纳米管阵列；

(3)将钛片置于去离子水中清洗并吹干，得到阳极氧化后的钛片；

步骤二：低温结晶过程：

(1)将阳极氧化后的钛片置于100～120℃的烘箱中烘干1～3h后取出，冷却至室温；

(2)将阳极氧化过的钛片下端向上，未进行钛片氧化的上端向下，置于封闭反应容器中，并注入0.1～1ml去离子水，放入烘箱中，于110～180℃反应1～12h进行气固界面低温结晶，得到低温结晶的二氧化钛纳米管阵列。

本发明还提出一种二氧化钛纳米管阵列的应用，应用二氧化钛纳米管阵列进行光解水制氢，包括以下几个步骤：

步骤一：电极准备过程：

将利用封闭反应容器进行气固界面低温结晶制备得到的二氧化钛纳米管阵列采用环氧树脂包裹样品以固定样品面积，包裹后晾干；

步骤二：光解水制氢过程：

采用电化学工作站原理测定电流-电压线性扫描曲线过程，完成光解水制氢过程，利用石英电池测定光电性能，电解质为浓度为0.1～1M的KOH溶液，以铂丝为辅助电极，以Ag/AgCl为参比电极，用环氧树脂包裹的二氧化钛纳米管阵列作为工作电极，将三电极体系与电化学工作站相连，初始电压为开路电压，通过电化学工作站直接读出，终止电压为0.6～0.8V，使用光强为8～12mW/cm²的光源垂直照射具有二氧化钛纳米管阵列钛片的正表面，开始照射紫外灯后，产生氢气，并使用电化学工作站测定电流-电压线性扫描曲线，完成光解水制氢过程，并实现光能转化为电能。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出一种二氧化钛纳米管阵列的低温结晶制备方法及其应用，在结晶二氧化钛纳米管阵列时温度较传统的煅烧法低得多，仅需110-180℃。