[发明专利]可见光响应的黑色二氧化钛纳米薄膜的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明公开了一种黑色二氧化钛纳米薄膜的制备方法及应用，特别是一种可见光响应的黑色二氧化钛纳米薄膜的制备方法及应用，属于纳米材料合成技术领域。

背景技术

众所周知，二氧化钛半导体材料具有化学性质稳定、廉价低毒等优点被广泛应用于能源及环境领域，例如染料敏化太阳电池、锂电池、超级电容器、光催化剂、污物清洁剂等领域。然而，二氧化钛由于禁带宽度大(锐钛矿相为3.2Eg，金红石相为3.0Eg)，仅能吸收太阳光谱中的紫外光，大大限制了其作为器件的性能和效率。因此，迫切需要开发出可见光响应的二氧化钛材料。

黑色二氧化钛不同于传统的白色二氧化钛，它可以大大吸收可见光，并有效地将其转换为电能或其它形式的能源。2011年，美国劳伦斯-伯克利国家重点实验室在著名杂志Science上第一次发表了黑色二氧化钛纳米晶的制备方法^[1]，成功获得了可见光响应的二氧化钛粉体，并逐渐将其应用于光催化、锂电池、红外吸波、超级电容器等领域中，获得可喜的成果^[2-5]。期间，也有来自国外和国内学者的纷纷效仿，也成功制备了如黑色二氧化钛纳米线、纳米棒等纳米结构^[6-9]。

2013年3月6日，中国发明专利CN102249300B公开了一种制备黑色二氧化钛的方法，首先将钛酸丁酯和无水乙醇配制成混合体系A、蒸馏水和冰醋酸配制成混合体系B；将体系A 加入体系B中，常温搅拌、搁置过夜；然后恒温加热下搅拌至生成凝胶，再加入冰醋酸，充分搅拌洗涤，将凝胶烘干、研磨、过筛网，在惰性气体保护下保温后炉冷获得黑色二氧化钛粉末。

2013年6月5日，中国发明专利申请CN103130267A公开了一种可见光响应黑色二氧化钛光催化剂的制备方法，采用冰乙酸和酰胺为溶剂，金属锂盐为助剂，并使用钛片为钛源，加入离子液体作为结构导向剂，利用溶剂热法一步合成，所制得的产品粒径在100nm 左右，相比于其他的二氧化钛其颜色是黑色的。其在可见光下显示出良好的降解有机染料的性能。

然而，以上所述方法主要是通过将晶化的白色二氧化钛粉末或薄膜在惰性气体或还原性气氛中长时间(有的甚至长达5天)退火得到黑色二氧化钛，其制备成本高昂、耗时耗力、工艺复杂，限制了未来黑色二氧化钛在工业领域的运用。因此在此基础上，开拓出一种简便廉价的制备方法尤其重要。

参考文献：

[1] X. Chen, L. Liu, Y.Y. Peter, S.S. Mao. Increasing solar absorption for photocatalysis with black hydrogenated titanium dioxide nanocrystals[J]. Science, 2011, 331(6018): 746-750； 

[2] T. Xia, Y. Zhang, J. Murowchick, X. Chen. Vacuum-treated titanium dioxide nanocrystals: Optical properties, surface disorder, oxygen vacancy, and photocatalytic activities[J]. Catalysis Today, 2013；

[3] T. Xia, W. Zhang, W. Li, N.A. Oyler, G. Liu, X. Chen. Hydrogenated surface disorder enhances lithium ion battery performance[J]. Nano Energy, 2013；

[4] T. Xia, C. Zhang, N.A. Oyler, X. Chen. Hydrogenated TiO₂ Nanonrystals: A Novel Microwave Absorbing Material[J]. Advanced Materials, 2013, 25(47): 6905-6910；