[发明专利]一种无定形层包覆的TiO2纳米管的制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备无定形层包覆的TiO₂纳米管的方法及其在水处理、光催化、锂离子电池、传感、染料/量子点敏化太阳能电池领域的用途。

背景技术

二氧化钛纳米材料在光催化、水处理、锂离子电池、传感、染料/量子点敏化太阳能电池等领域具有广泛的应用价值，二氧化钛材料的控制合成技术是当前材料领域的研究热点。

使用二氧化钛纳米材料来实现有机污染物的光催化降解在环境领域备受关注，但是由于二氧化钛属于宽禁带半导体，在进行光催化降解时只有部分紫外光可以被其利用，而阳光中占主要成分的可见光由于无法被其吸收而得不到有效利用，因此光催化的整体效率不高。为了克服这个弱点，有研究者提出可以利用有机污染物自身吸收可见光的性质，采用光敏化机制对其进行降解(Chen,X.；Mao,S.S.Chem.Rev.2007,107,2891-2959；Chen,C.；Ma,W.；Zhao,J.Chem.Soc.Rev.2010,39,4206-4219；Hagfeldt,A.；Boschloo,G.；Sun,L.；Kloo,L.；Pettersson,H.Chem.Rev.2010,110,6595-6663.)。简言之，在光敏化降解有机污染物过程中，有机污染物(实验中常用有机染料代替)吸收可见光后其电子注入二氧化钛的导带，而其自身成为带有正电荷的自由基，而这类自由基通常比较活泼，会与水中的活性氧组分发生反应而被降解。表征光敏化催化剂有两个指标：一个是降解速率，指染料分子的被剪切成分子片段的速率，通常用染料分子在可见光波段的光吸收降低的速率来代表；另一个为矿化速率，指染料分子被完全氧化成为二氧化碳并扩散到空气中的速率，通常用溶液中总的有机碳含量的减少来表征。光敏化机制克服了二氧化钛作为光催化剂对太阳光的利用效率低下的问题，但目前报导的光敏化催化剂普遍存在着降解速率慢，尤其是矿化速率非常低，无法将有机污染物进一步从小的分子片段氧化为无害的二氧化碳气体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有无定形层包覆的二氧化钛纳米管的制备方法及这种二氧化钛纳米管的用途。

本发明的技术方案如下：

一种无定形层包覆的二氧化钛纳米管的制备方法，从氧化钛粉体出发，首先通过水热途径在氢氧化钠溶液中制备获得钛酸钠纳米管，经过洗涤、酸交换之后得到钛酸纳米管，在适当的温度下进行退火处理即可得到具有无定形层包覆的二氧化钛纳米管。

本发明制备的无定形层包覆的二氧化钛纳米管主体为锐钛矿相，具有一维管状结构，同时通过退火温度和时间的调节可以在二氧化钛纳米管的表面保留部分无定形的二氧化钛。无定形二氧化钛层的存在使得该材料具有较高的比表面积和丰富的表面官能团，同时也使得该材料在可见光区具有一定的吸光特性。根据上述二氧化钛纳米管的特征，可以将其应用于水处理、传感、染料/量子点敏化太阳能电池等领域。

本发明无定形层包覆的二氧化钛纳米管的制备流程如图1所示，包括如下步骤：

1)将氧化钛粉体与氢氧化钠水溶液混合进行水热反应，得到钛酸钠纳米管；

2)将钛酸钠纳米管过滤、洗涤后在酸溶液中进行酸交换，得到钛酸纳米管；

3)将酸交换的得到的钛酸纳米管洗涤、干燥后，经退火处理得到无定形层包覆的二氧化钛纳米管。

进一步的，步骤1)中所述氧化钛粉体可以是二氧化钛粉体、偏钛酸、正钛酸、钛酸钠、硫酸氧钛、四氯化钛或者它们的组合；所述氢氧化钠水溶液的浓度在5～20mol/L；

步骤1)水热反应的温度通常为100～250℃；时间为5～120小时，具体反应时间与氧化钛粉体的种类和反应温度有关。

步骤2)中所述酸溶液可以选择盐酸、硫酸、硝酸或者它们的组合，酸溶液的质子浓度(以H⁺浓度计)一般在0.001～1mol/L之间。

步骤1)水热反应后必须经过多次过滤和洗涤，去除多余的氢氧化钠，然后再进行酸交换。

步骤3)在退火前进行干燥的目的是为了除去沉淀吸附的水分，可以在60～100℃干燥或者采用30～60℃真空干燥。

步骤3)中的退火处理是为了使纳米管的主体形成晶化较好的锐钛矿相二氧化钛，同时保留部分包裹在纳米管外的无定形二氧化钛，根据产品的不同用途，退火处理的温度在250～450℃之间，处理时间在2～6小时之间。