[发明专利]一种锐钛矿型二氧化钛纳米棒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种锐钛矿型二氧化钛纳米棒及其制备方法。

背景技术

纳米二氧化钛材料是迄今为止取得商业应用最为成功的纳米材料之一。因其具备对人体无毒，化学稳定性高，吸收紫外光，折射率高等特点，使得其在化妆品、涂料、化纤、塑料等传统领域应用广泛。近年来，二氧化钛在抗紫外玻璃、自洁净玻璃、光催化室内空气净化、光催化水污染治理等新兴领域，也取得了应用突破。最新的研究报道表明，在备受关注的新能源领域，包括染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池，其中最为关键的即是作为电子收集载体的纳米二氧化钛薄膜电极。在经过充分的研究论证之后，锐钛矿型纳米二氧化钛被证明是在众多氧化物半导体材料中最有效的一种电极材料。与此同时，纳米二氧化钛及其掺杂材料在光解水制氢方向也备受关注。

当纳米二氧化钛应用在新型太阳能电池、光解水制氢等光电化学领域时，其作为半导体的光电性质与器件的性能密切相关。而材料的光电化学性质又是由材料的晶型、尺寸、微观形貌（结构）等多种因素共同决定的。在光电化学领域适用的所谓高质量纳米二氧化钛，必须具有优化的纳米尺寸，适当高的比表面积，良好的分散性使其制备的薄膜质量更高-即具有更高的机械结合强度和收集光生电子的能力。典型的例子如，在染料敏化太阳能电池中经过充分优化的二氧化钛电极材料，其组成单元为：晶粒尺寸约20nm、锐钛矿型、颗粒状纳米二氧化钛，比表面积为70～100m²/g。10μm左右厚度的薄膜电极材料可提供足够大的内表面积，充分吸附染料，从而最大限度的吸收利用太阳光。光生电子在10μm厚度的薄膜电极中扩散，需要经过大量的晶界才能够到达导电基底表面被外电路收集，调控电子传输和复合的速度是有效收集光生电子的关键，这一步骤直接关系到高性能的电池器件能否实现。

传统二氧化钛纳米颗粒，其薄膜电极中晶界数量较多，电子扩散系数较低，电子寿命较短，传统二氧化钛纳米颗粒制备的电极材料不容易获得较高的电子收集效率，从而限制了光电化学器件的性能。同时，之前报道的二氧化钛纳米棒的制备工艺缺乏对棒的尺寸和微观形貌的精确控制，质量不高，且一般原料较贵，单次产率较低，从而限制了其工业化应用的前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锐钛矿型二氧化钛纳米棒，具有良好的分散性和巨大的表面积。

本发明的另一目的在于提供一种锐钛矿型二氧化钛纳米棒的制备方法，所制得的纳米二氧化钛除具有良好的分散性和巨大的表面积，并在生长方向、晶体暴露面、尺寸和长径比等性能上具有可控性。

一种二氧化钛纳米棒，晶型为锐钛矿，二氧化钛纳米棒的形貌呈棒状，直径为5～60纳米，棒长为50～400纳米；二氧化钛纳米棒是通过取向键接方式形成，取向生长方向为<001>方向，晶体暴露面为{101}面。

所述纳米二氧化钛的制备方法，以钛醇盐为钛源，有机碱为解胶剂，乙二醇～水或乙二醇～水～乙醇为溶剂，首先在低温下解胶，然后在高温下水热反应，对水热反应产物依次进行分离、洗涤、干燥及热处理，最后得到二氧化钛纳米棒。

所述乙二醇与水的体积比为1：4～15：1。

所述钛醇盐与有机碱的摩尔比为1：4～3：1。

所述解胶温度为75～110℃、解胶时间1～8小时；所述水热反应温度为160～250℃，水热反应时间为4～64小时。

所述钛醇盐为钛酸乙酯、钛酸异丙脂、钛酸丁酯中的任意一种；所述有机碱为四甲基、乙基、丙基及丁基氢氧化铵中的任意一种。

本发明的技术效果体现在：

本发明的核心技术是利用乙二醇对钛醇盐改性。采用“乙二醇～水～乙醇”三元溶剂体系，调节三元溶剂比例，可控制乙二醇、水和乙醇分子在二氧化钛晶体表面不同的吸附比例，从而控制晶体生长按照取向键接的方式发生，最终产物形貌控制为特殊纳米棒状，取向键接方向为<001>方向，晶体暴露面为{101}面。乙二醇在纳米二氧化钛表面的强吸附，具有空间位阻效应可防止团聚，使得纳米材料在水热反应之后保持了良好的分散性。

本发明可通过调节反应前驱体中钛醇盐、有机铵的浓度，以及水热反应温度，实现材料尺寸的调变：棒直径大小可在5～60纳米内调变，而长度可在50～400纳米内调变。较小尺寸纳米棒比表面积可达到100～150m²/g。