[发明专利]一种黑色二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种黑色TiO₂纳米材料及其制备方法和应用，该所述二氧化钛纳米材料是将钛酸丁酯加入无水乙醇A，搅拌为黄色溶液，再滴加无水乙醇B、十六烷基三甲基溴化铵和去离子水的混合溶液，搅拌后至溶液澄清透明，再将溶液陈化，得到透明凝胶；将凝胶倒入无水乙醇中，40～60℃水浴加热后得到干凝胶；将所得干凝胶研磨成粉，在保护气氛下，升温至400～500℃煅烧，随炉冷却至室温制得。本发明二氧化钛纳米材料具有大的比表面积，其粒径为5～10nm均匀颗粒，该方法具有低成本、无毒、化学性能稳定、较好的光催化性能等突出的特性，且其可操作性高、实用性强。可作为光催化剂在水处理或气体净化环保及光解制氢新材料领域中应用。

技术领域

本发明属于无机功能材料技术领域，更具体地，涉及一种黑色二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

光催化技术可通过太阳能来分解水制氢气及清除环境中有机污染，是对解决能源和环境问题十分重要和有前景的技术之一。在众多光催化材料之中，TiO₂是一种成本相对较低、绿色环保、化学性能稳定、光催化性能较好的半导体材料。但是传统的白色TiO₂材料的光响应范围在紫外光区，对可见光的吸收十分受限，极大地限制了其市场化应用。现阶段为了解决该问题，所采取的方法有：通过引入掺杂剂，缺氧，无序，暴露晶体和半导体耦合等。尽管在大多数报道中，TiO₂纳米材料给出窄带隙和增强的光捕获效果，但结果还远远不能令人满意。此外，上述方法可能会导致载体复合、晶格缺陷和二次污染等问题。黑色TiO₂纳米材料的发现为解决这一问题带来了新希望，其制备过程是将TiO₂在氢气气氛下煅烧，一定时间后材料颜色由白色转变为黑色，在光催化分解水实验中，黑色TiO₂纳米材料表现出在可见光范围内的强吸收和优异的光催化性能，黑色TiO₂纳米材料的带隙可下降至2.5eV甚至更低，具有窄带隙的特点，光吸收范围延伸到红外光区域，并且具有更强的导电性，可用于制造太阳能电池。黑色TiO₂纳米材料的光吸收和加速电荷分离对于增强其光催化活性尤为重要，光吸收影响光催化过程的能量吸收，电荷分离则影响光催化过程的能量利用率。

参考各公开文献和专利，黑色TiO₂纳米材料的制备方法主要包括：①氢气气氛下的热处理，在还原性气氛中退火，②化学还原中铝还原，③镁还原，④NaBH₄还原，⑤NaH还原，⑥水热法等等。然而众所周知，在高压氢气条件下，具有一定的操作安全性问题，还原法则需要引入还原剂，将可能会引入杂质原子，且还原剂的使用可能存在混合不均匀、还原剂毒性或危险等不稳定因素；其他方法需要使用复杂的程序或稀有元素进行修饰，在原料成本、工艺制备上不够完善，且产物颗粒较大。这些方法所制得的黑色TiO₂纳米材料晶型以锐钛矿为主，在光催化的应用上主要为制氢、有机物光降解等，另外，它也具备较多种的待开发的应用如锂离子电池、超级电容器、燃料电池、癌症光热治疗等。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明提供一种黑色TiO₂纳米材料的制备方法，该方法无需其它掺杂剂或还原剂，工艺简单。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的黑色TiO₂纳米材料。

本发明的再一目的在于提供上述黑色TiO₂纳米材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种黑色二氧化钛纳米材料，所述二氧化钛纳米材料是将钛酸丁酯加入无水乙醇A，混合搅拌为透明黄色溶液，再滴加无水乙醇B、十六烷基三甲基溴化铵和去离子水的混合溶液，搅拌后至溶液澄清透明，再将溶液陈化，得到透明凝胶；将凝胶倒入无水乙醇中，40～60℃水浴加热后得到干凝胶；将所得干凝胶研磨成粉，在保护气氛下，升温至400～500℃煅烧，随炉冷却至室温制得。