[发明专利]一种垂直于基底生长的金红石单晶超细二氧化钛纳米线阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化钛纳米线阵列的制备方法，特别涉及一种垂直于基底生长的金红石单晶超细二氧化钛纳米线阵列的制备方法。

背景技术

纳米TiO₂是一种重要的半导体材料，在光催化、染料敏化太阳能电池、气体传感器及纳米器件等领域有着广泛的应用。具有统一取向的一维TiO₂纳米棒或纳米线阵列因为其一维电子传输能力，大的比表面积，以及良好的化学稳定性和光学性能而引起了广泛关注。单晶一维取向TiO₂纳米材料由于在材料内部不存在晶界，可避免光生载流子在晶界的复合，从而提高量子产率，其制备及性能研究已成为新的热点(Adil，J.Am.Chem.Soc.2009，131：3985；Grimes，Nano Lett.2008，8：3781)。

目前，有关一维TiO₂纳米棒或纳米线阵列的制备方法主要有热氧化法、模板法、原子束沉积、溶剂热及水热法。其中，热氧化法、原子束沉积法工序复杂，制备过程需要高温，能耗大，而模板法由于模板不能重复使用以及完全脱除模板困难，制备成本昂贵，难以实现工业化生产。溶剂热法(Grimes，Nano Lett.2008，8：3781)虽可实现一维TiO₂纳米棒或纳米线阵列的低温制备，但由于要使用大量有机溶剂，无疑会增加生产成本，同时，有机溶剂的使用还可能对环境造成负面影响。水热法不仅具有反应条件温和，工艺简单，制备的一维TiO₂纳米棒阵列结晶性能好等独特优势，同时，由于使用水作为反应溶剂，成本低廉且不会对环境造成影响。但根据已有文献报道(Adil，J.Am.Chem.Soc.2009，131：3985)，利用水热法只能制备的一维TiO₂纳米棒阵列，其直径在90nm左右。众所周知，光生载流子从半导体内部迁移到其表面所需时间与纳米颗粒的粒径有关，粒径越小，时间越短，减小粒径可有效避免电子-空穴对在半导体内部的复合，从而提高量子效率。此外，粒径减小，比表面积增大，也有利于提高光催化效率。因此，探索一种低成本的，垂直于基底生长的金红石单晶超细二氧化钛纳米线阵列的制备方法不仅具有重要理论研究价值，同时也具有良好的实际应用潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直于基底生长的金红石单晶超细二氧化钛纳米线阵列的制备方法。

本发明的目的是通过如下方式实现的：一种垂直于基底生长的金红石超细单晶二氧化钛纳米线阵列的制备方法，其特征在于：制备步骤如下：

(a)浸涂TiO₂晶种的基底的制备：将清洗干净的基底浸泡在四氯化钛水解液中，取出并用乙醇洗涤、干燥，然后高温热处理；

(b)将涂有TiO₂晶种的基底放入钛酸酯的盐酸溶液，于100～300℃进行水热反应，然后将基底取出，清洗，干燥后即得金红石超细单晶二氧化钛纳米线阵列。

基底浸泡在四氯化钛水解液中的浸泡时间为20min～48h，温度为0～75℃；优选条件为室温下浸泡24h；所述基底是指普通玻璃、导电玻璃、硅片、钛片、石英或陶瓷；所述四氯化钛水解液是指将四氯化钛加入冰水所形成的TiO₂澄清透明溶胶。

热处理温度为200～800℃，热处理时间为20min～2h。热处理条件优选为550℃，30min。

所述钛酸酯是钛酸四正丁酯、钛酸二正丁酯或钛酸异丙醇酯的一种或两种以上之混合物。

水热反应在水热反应釜中进行，反应时间为1～48h；所述水热反应釜是指内衬四氟乙烯或钛的密闭反应容器。

所述水热反应过程可重复进行。

本发明具有如下的有益效果，所制备的金红石单晶二氧化钛纳米线阵列垂直于基底生长，与基底结合牢固，纳米线的直径仅为5～10nm，长度可控，可有效增大比表面积及减少光生载流子(电子-空穴对)在半导体内部的复合，提高量子产率效率。

附图说明

图1是实施例2制备的金红石单晶超细二氧化钛纳米线阵列的场发射扫描电镜低倍图。

图2是实施例2制备的金红石单晶超细二氧化钛纳米线阵列的场发射扫描电镜(FSEM)高倍图。

图3是实施例2制备的金红石单晶超细二氧化钛纳米线阵列的场发射扫描电镜(FSEM)侧视图。

图4是实施例2制备的金红石单晶超细二氧化钛纳米线阵列的X射线衍射图(XRD)。

图5是实施例2制备的金红石单晶超细二氧化钛纳米线阵列的透射电镜图(TEM，A)。