[发明专利]大面积氧化钛纳米管薄膜、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化剂材料、其制备方法及应用，尤其涉及一种大面积氧化钛纳米管薄膜、采用低温一步制备该种大面积氧化钛纳米管薄膜的方法及其应用。

背景技术

由于环境污染程度已经超出了自然净化能力的极限，环境污染问题成为当前影响人类生存和发展的重大问题之一。作为净化空气中和水中染污物的高效方法，半导体光催化技术成了目前环境染污治理领域的研究热点。

半导体光催化技术的研究重点是研制性能良好的光催化剂材料。已有的研究结果表明，纳米TiO₂的光催材料具有诸多优点：成本低、无毒害、极大比表面、可掺杂、可敏化、稳定性好且催化机理研究深入，是最具应用前景的光催化材料。

现有制备纳米TiO₂光催化剂的主要技术包括：水热法，溶胶-凝胶法，电化学阳极氧化法，气相法。应用上述制备方法，得到了纳米颗粒、纳米线、纳米管和纳米薄膜结构的纳米TiO₂的光催剂材料，其中TiO₂纳米管光催剂材料因为其良好的结构特征，表现出了极好的光催化性能。但利用上述的制备技术，还不能满足实际应用要求，主要的不足之处在于：(1)制备得到的材料结构和尺寸可控性不高，(2)不能大批量制备，(3)制备得到的光催化剂材料的结构和性能不易进一步调制，影响催化效率的提高，(4)得到的纳米结构的TiO₂都需要进一步固化在其它负载材料上才能进行应用。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种大面积氧化钛纳米管薄膜，其结构和尺寸可控，催化活性高，且可直接应用，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种大面积氧化钛纳米管薄膜，其特征在于，所述氧化钛纳米管薄膜包括：

由碳纳米管有序薄膜形成的模板；

以及，包覆在组成所述模板的碳纳米管的外壁上的纳米二氧化钛层。

进一步地讲：

由所述碳纳米管与包覆在其外壁上的纳米二氧化钛层形成的二氧化钛纳米管的管径为2～400nm。

在所述氧化钛纳米管薄膜中二氧化钛纳米管的取向一致，且所述二氧化钛纳米管的长度为50～2000μm。

所述碳纳米管有序薄膜是采用可纺丝碳纳米管阵列拉制形成的，其厚度在100微米以下。

所述碳纳米管薄膜中碳纳米管是取向是一致的，且所述碳纳米管的壁数为1-20，长度为50-2000μm。

所述二氧化钛纳米管的管径在3～300nm范围内可调控。

所述二氧化钛纳米管为连续的管状结构。

所述氧化钛纳米管薄膜的宽度为10μm-100m，长度为100μm-100m。

本发明的另一目的在于提出一种低温一步制备大面积氧化钛纳米管薄膜的方法，该方法为：以碳纳米管有序薄膜为模板，并在组成所述模板的碳纳米管上包裹纳米二氧化钛层，形成二氧化钛纳米管薄膜。

具体而言：

该方法具体为：以碳纳米管有序薄膜为模板，以可挥发的含钛有机化合物为钛源，在300～1200℃的沉积温度下，经化学气相沉积法在组成所述模板的碳纳米管上包裹纳米二氧化钛层，形成二氧化钛纳米管薄膜。

该方法包括如下具体步骤：

i将碳纳米管薄膜以基底材料承载或悬空的方式放置在反应容器中；

ii以鼓泡方式或蒸发方式将可挥发的含钛有机化合物作为钛源引入上述反应容器中，控制反应温度在300～1200℃，并控制反应时间在1～30min；

iii上述反应结束后，停止通钛源，维持上述反应温度5～60min；

iv将反应体系自然冷却至室温，形成二氧化钛纳米管薄膜。

所述反应温度为300-700℃。

该方法具体为：

在真空条件下，以碳纳米管有序薄膜为模板，以钛靶材为钛源，采用物理气相沉积法在组成所述模板的碳纳米管上沉积纳米钛层，其后在空气中氧化处理所述纳米钛层，形成二氧化钛纳米管薄膜；

或者，在真空条件下，以碳纳米管有序薄膜为模板，以二氧化钛靶材为钛源，采用物理气相沉积法在组成所述模板的碳纳米管上沉积纳米二氧化钛层，形成二氧化钛纳米管薄膜。

所述物理气相沉积方法可选用但不限于真空蒸发、真空溅射法和真空离子镀膜法。

该方法包括如下具体步骤：

i将所述模板以基底材料承载或悬空的方式放置在反应容器中；

ii对上述反应容器进行抽真空处理，至真空度达到10^-3Pa；