[发明专利]一种常压下低温制备金红石型二氧化钛单晶纳米线阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种常压下低温制备金红石型二氧化钛单晶纳米线阵列的方法。

背景技术

二氧化钛是一种重要的半导体材料，在太阳电池、光催化制氢、光催化降解有机物、锂电池及气相传感器等领域有广泛的应用。二氧化钛的性能取决于其微观形貌，大小及晶型。在已报道的各种纳米结构中，单晶二氧化钛纳米线由于其独特的一维电荷传输通道可以快速传输电子并有效抑制电子-空穴的复合,从而成为科学研究和工业应用的重要对象[Zhang Q F,et al.Nanoscale,2012,4,1436.Lin Y J,et al.Chemical Physics Letters2011,507,209]。

已报道的合成单晶二氧化钛纳米线的方法有模板法[Lei Y,et al.Appl.Phys.Lett.2001,78,1125],气-液-固生长[Zhuge F W,J.Phys.Chem.C2012,116,24367]，化学气相沉积[Lee J–C,et al.,Cryst.Growth Des.,2007,7,2588],金属有机化合物化学气相沉淀[Wu J–J,et al.Phys.Chem.B,2004,108,3377]，磁控溅射[Meng L J,et al.,Applied Surface Science,2010,256,3676],水热法/溶剂热法Feng X J,et al.,Nano Lett.,2008,8,3781.Liu B,et al.,J.Am.Chem.Soc.,2009,131,3985]。在上述合成方法中，模板法制备复杂，先要制备模板，然后通过高温烧结或化学腐蚀去除模板，同时纳米线的直径和长度受限于选择的模板。化学气相沉积和气-液-固生长需要高温反应条件并消耗大量的能量，产率较低。水热法与溶剂热法与普通溶液合成化学不同,在密封的压力容器中，采用一定的溶剂为反应介质，在高温（一般小于250℃）、高压反应环境下(密闭自生蒸气压)进行的化学反应。水热和溶剂热合成法的优点是使反应能够在较低的温度下直接生成氧化物纳米晶，生成以前在常规条件下无法得到的亚稳相，避免了高温煅烧处理，产率高，成本低[施利毅等，中国有色金属学报，2011，21，2465]，而传统的工艺制备金红石需要在600℃以上生成[张青红等，无机材料学报，2001，16，833]。然而利用水热/溶剂热法制备单晶纳米线要长时间在高压环境中工作，由于溶剂汽化自生的压力或反应釜老化容易发生爆釜，给人身及设备造成危险。

因此有必要发展一种低温但在常压条件下安全合成二氧化钛单晶金红石纳米线阵列的工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种常压低温下制备二氧化钛单晶金红石型纳米线阵列的方法，该方法工艺简单、易于操作控制、成本低、无污染，且能在常压反应条件下低温反应安全合成二氧化钛单晶金红石型纳米线阵列。

本发明借助于壬酸作为唯一的溶剂，通过弱酸缓慢释放氢离子代替压力影响改变反应的吉布斯自由能，使二氧化钛纳米晶优先沿[001]方向生长。壬酸的熔点是11～12.5℃，沸点是253℃，因此与水热/溶剂热反应不同的是，在反应中没有加入低温下由相变产生自生蒸气压的溶剂（如水或乙醇等），并利用自生蒸汽高压条件下生成晶体，本发明的反应是在没有相变的液态中发生定向结晶化学反应，没有反应压力，可以在如玻璃瓶和没有不锈钢耐压外壳保护的聚四氟乙烯容器中直接安全地进行常压反应。

所以，本发明利用的核心反应试剂是具有缓慢释放氢离子代替压力影响，从而改变反应的吉布斯自由能的壬酸做溶剂，使二氧化钛纳米晶优先沿[001]方向发生定向结晶化学反应。

另外，本发明方法中所用的核心试剂壬酸，别名风吕草酸、天竺葵酸或洋绣球酸，是一种应用广泛的有机合成原料，按GB2760-96规定为允许使用的食用香料。主要用以配制椰子和浆果类香精，因此是一种完全环保的试剂。

本发明的上述发明目的是通过如下技术方案来实现的：一种常压低温下制备二氧化钛单晶金红石型纳米线阵列的方法，含以下步骤：

(1)取钛源、壬酸搅拌均匀得到混合液；

(2)将混合液放入密闭的常压反应容器中，将常压反应容器放入恒温箱中，调节反应温度为90～220℃，反应时间为1～100小时，反应后冷却至室温；

(3)取出反应容器中的样品，清洗、烘干后获得单晶金红石型纳米线阵列。

本发明步骤(1)中钛源、壬酸的体积比优选为0.01～10mL︰1～60mL。