[发明专利]具有(001)晶面择优取向的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有(001)晶面择优取向的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列，所述纳米管阵列由锐钛矿型的二氧化钛组成并成六边形排列，锐钛矿二氧化钛纳米管阵列具有高能晶面(001)的择优取向。本发明采用低成本、简单、易操作的阳极氧化法和大塑性变形方法，在超细晶纯钛阳极基体上，制备出排列整齐、高度有序的二氧化钛纳米管阵列，通过控制纯钛基体晶粒尺寸的方法形成择优取向高能晶面(001)面的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列，该锐钛矿二氧化钛纳米管阵列具有较大的比表面积、更有利于电荷的传输，增大光电转化效率；采用的大塑性变形、阳极氧化等技术对环境几乎没有任何污染。

技术领域

本发明属于无机纳米材料技术领域，具体涉及一种具有(001)晶面择优取向的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的制备方法。

背景技术

二氧化钛纳米管阵列层在许多领域，诸如光催化器材、电子设备、染料敏化太阳能电池、光敏器件、传感器以及生物医用材料，都有着广泛的应用前景。因为二氧化钛纳米管阵列层结构特殊，六边形阵列有序排列，相比其他形态的纳米二氧化钛材料有着更大的比表面积和更强的吸附能力，利于电荷的传输，增大光电转化效率。

目前，有很多种方法可以制备二氧化钛纳米管阵列，如水热合成法、模板法、溶胶溶液法和阳极氧化法等。其中，在这些方法中，阳极氧化法相较于其他的方法拥有着更多优点，如操作简单，成本低廉，高比表面积，重复性好和可控性好等。

二氧化钛纳米管阵列层的性能不仅和它们的形貌、尺寸和表面形态等因素有关；也与其组成物二氧化钛的结晶度、晶体类型和晶体择优取向有着密切的关系。二氧化钛有三种晶体结构：锐钛矿、金红石和板钛矿。其中锐钛矿在太阳能电池、催化剂等应用上比其它两种均体现出了更好的性能。锐钛矿表面的晶粒取向决定了其性能，比如其(101)、(100)和(001)面的表面能分别为0.44、0.53和0.90J/m²。

现有技术中，一般先通过阳极氧化制造非晶形态的二氧化钛纳米管阵列，然后通过后续的退火得到锐钛矿结构的二氧化钛。但是，这种方法一般只能得到(101)面择优取向的锐钛矿，无法获得有高能晶面(001)的择优取向，因为(101)面是锐钛矿表面能最低、最稳定的一个晶面。

锐钛矿二氧化钛晶体通常的择优取向为表面能最低、热力学最稳定的(101)面。但是理论和实验研究都表明，活性更高(001)面可能在很多应用里面，比如光伏电池，光分解有机分子和光催化分节水，充当活性位点的主要来源。因此，有必要研究一种简单易操作、经济环保的具有(001)晶面择优取向的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的制备方法。

发明内容

本发明通过控制阳极氧化纯钛基体的晶粒尺寸为100-200nm，结合后续阳极氧化和退火工序，得到具有高能晶面(001)择优取向的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列，实现二氧化钛纳米管阵列晶体结构和择优取向的可调控。

本发明的目的是提供一种简单易操作、经济环保的制备具有(001)晶面择优取向的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的方法。

本发明采用的技术方案是：一种具有(001)晶面择优取向的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列，所述二氧化钛纳米管阵列由呈六边形排列的锐钛矿二氧化钛组成，具有高能晶面(001)的择优取向。

优选的，用于制造该锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的纯钛基体晶粒尺寸为100-200nm。

本发明还提供了具有(001)晶面择优取向的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的制备方法，包括以下步骤：

1)采用大塑性变形法制备超细晶纯钛材料；

2)以超细晶纯钛材料为基体，制备非晶二氧化钛纳米管阵列；

3)将非晶二氧化钛纳米管阵列退火，冷却，即得到具有(001)晶面择优取向的锐钛矿二氧化钛纳米管阵列。