[发明专利]TiO2纳米孔阵列材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种TiO₂纳米孔阵列材料的制备方法及其应用，属于纳米材料制备及应用技术领域。

背景技术

纳米TiO₂作为一种绿色功能材料，具有优越的光催化、光电催化性能以及湿敏、气敏、介电效应、光电转化、光致变色等特性，在环境污染预防与保护领域以及传感器、介电材料、涂料、塑料、造纸、陶瓷等领域得到了广泛的应用。2001年美国宾夕法尼亚州立大学的学者们首先报道了利用金属钛在氢氟酸介质中阳极氧化制备钛基TiO₂纳米管阵列薄膜材料的方法(D.W.Gong，et al.J.Mater.Res.2001，16，3331)。钛基TiO₂纳米管薄膜作为一种新型的纳米TiO₂材料，以其独特的阵列结构和优异的光催化、光电催化、氢敏等特性，引起了人们的广泛关注。通过改变阳极氧化时间、电压和电解液的组成，可以改变TiO₂纳米管阵列薄膜材料的管长和管径(G.K.Mor，et al.Solar energy materials solarcells 2006，90，2011；S.P.Albu，et al.Phys.Stat.Sol.(RRL)2007，1，R65；H.E.Prakasam，et al.J.Phys.Chem.C 2007，111，7235)。但是，在钛基TiO₂纳米管阵列薄膜结构中，TiO₂纳米管直接结合在金属钛基体表面上，由于这种结合是半导体与金属两种不同材料的结合，当纳米管受到机械外力作用时，或者当环境温度发生变化时，因材料膨胀系数不同，导致纳米管与金属钛间内应力发生变化时，就会发生纳米管与基体间的开裂或断裂，甚至造成纳米管阵列薄膜与基底的剥离。这些变化无疑会严重影响钛基TiO₂纳米管阵列材料的稳定性、光电催化性能、电化学性能以及有关性能，并影响其有关领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种TiO₂纳米孔阵列材料的制备方法及其应用，材料中的TiO₂与基底结合牢固，不易脱落，性能稳定，可以应用于更为宽泛的范围。

为实现这一目的，本发明首先将洗净的金属钛作为阳极，置于含氢氟酸或氟化物的有机电解质溶液中，以铂为对电极，对金属钛进行阳极氧化，阳极氧化后的金属钛经过物理方法除去表层松散的薄膜后，即可得到由金属钛和钛表面的氧化钛构成的钛基氧化钛纳米孔阵列材料。钛基氧化钛纳米孔阵列材料经高温烧结后，可得到具有一定晶相组成的钛基TiO₂纳米孔阵列材料。

本发明所述的钛基TiO₂纳米孔阵列材料的制备方法具体是：将含钛90％以上的钛金属经打磨、抛光或无机酸等表面清洗处理后用做阳极，置于含氟0.1～10wt％的氢氟酸有机电解质溶液或氟化物的有机电解质溶液中，以铂为对电极，在10～80V电压条件下进行阳极氧化20～100小时；阳极氧化后，通过物理的方法去除金属钛表面松散的薄膜层后，得到孔径60～400nm、孔深10～250nm的由金属钛和钛表面的氧化钛构成的钛基氧化钛纳米孔阵列材料；再在300～700℃温度范围内烧结0.5～15小时，冷却后得到具有晶相组成的钛基TiO₂纳米孔阵列材料。

本发明所述的氢氟酸有机电解质溶液或氟化物的有机电解质溶液，其中有机组分可以是与水互溶的有机溶剂为二甲基亚砜、乙二醇和乙酰胺中的任意一种或组合。

本发明所述的除去金属钛表面松散的薄膜层的物理方法可以是超声波超声或是机械振动。

本发明所述的具有一定晶相组成的钛基TiO₂纳米孔阵列材料，其晶相组成可以是锐钛矿相或金红石相或锐钛矿相与金红石相共存的晶相组成。

本发明所述的TiO₂纳米孔阵列材料，可由公有的TiO₂薄膜修饰技术修饰以提高其性能，这些TiO₂薄膜修饰技术可以是贵金属修饰如Pt、Au沉积或阴离子如F^-、Cl^-、Br^-修饰或阳离子如Fe³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺修饰或非金属元素如N、C掺杂或半导体复合如CdS/TiO₂等。