[发明专利]一种暴露锐钛矿二氧化钛高能面的异质结纳米管阵列薄膜光催化材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，更加具体地说，涉及新型纳米光催化半导体复合材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种暴露锐钛矿TiO₂（004）高能面的TiO₂/SrTiO₃异质结纳米管阵列光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

纳米TiO₂由于其化学性质稳定、安全无毒、高氧化还原能力、成本低等优点受到了广泛的重视。近年来以TiO₂纳米颗粒或薄膜或与其他半导体复合等形式材料被广泛应用在染料敏化太阳能电池、光催化、光敏器件和传感器等领域。纳米TiO₂晶体类型、表面形态、微粒尺寸、孔的大小以等因素对其性能都有很大影响。TiO₂通常以{101}面的形式存在，而非高活性的{001}面，光生电子空穴对复合率高，从而导致量子效率低而抑制了光催化活性。此外，TiO₂的禁带宽度较大（3.2eV），仅能利用太阳光中的紫外光（仅占3-5%），极大地限制了TiO2的实际应用。因此，通过贵金属沉积、离子掺杂、染料敏化及半导体复合等方法对TiO₂光催化剂进行改性，不仅可以使光生载流子在不同能级半导体之间转移，而且还能有效分离载流子，延长载流子寿命，增加量子效率，提高光催化活性。TiO₂纳米管结构特殊、排列整齐、高度有序，与其他形态的纳米TiO₂材料相比，具有更大的比表面积和更强的吸附能力，易于实现光生电荷的有效传输，减少电荷与空穴的复合，增大光电转化效率。目前，TiO₂纳米管的制备方法有模板法、溶胶凝胶法、水热合成法、阳极氧化法等，其中，阳极氧化法较其他方法拥有操作简单、成本低廉、高比表面积、较高的长径、可控性好、不易脱落等优点。SrTiO₃为典型的立方钙钛矿结构，空间群为Pm3m。因其耐光腐蚀与化学腐蚀，性能较稳定，所以被广泛应用于电光器件、光催化剂、微型电容器和铁电存储器等方面。

发明内容

本发明的技术目的在于克服现有技术的不足，克服现有纳米TiO₂粉体材料易凝聚、易中毒失活和难分离回收，特别是TiO₂光催化纳米材料太阳光响应范围窄等缺陷，即提高其在可见光谱范围内的量子产率、有效抑制光生电子空穴的复合率的同时拓宽其对太阳光谱的利用范围，且制备所需能耗低和成本低，操作简单。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种暴露锐钛矿二氧化钛高能面的异质结纳米管阵列薄膜光催化材料及制备方法，所述光催化材料由锐钛矿型二氧化钛和SrTiO₃组成，所述锐钛矿型二氧化钛暴露并取向生长（004）高能晶面，按照下述步骤进行制备：

步骤1，利用阳极氧化法制备TiO₂纳米管材料

在步骤1的阳极氧化制备过程中，选用Ti片和Pt电极，由乙二醇（ethyleneglycol，EG）、NH₄F和三蒸水组成的反应电解质溶液，其中三蒸水体积为乙二醇体积的3％，NH₄F的质量为乙二醇质量的0.5％，以稳压稳流电源提供直流电源60V，并加以磁力搅拌进行阳极氧化。

在进行阳极氧化时，可选择一次性氧化2－3h，也可选择二次氧化，即首先阳极氧化30min后，取出样品用去离子水溶液超声去除氧化膜，并在电热恒温鼓风机中于120℃下干燥，备用；二次氧化反应时间为2h，，反应结束后用无水乙醇和去离子水清洗Ti片，并在电热恒温鼓风机中于120℃下干燥，保存，即制备好TiO₂纳米管材料。

使用的Ti片在进行使用时，首先进行预处理：将Ti箔（纯度99.7%，厚度为0.5mm）裁剪成1×4cm的尺寸，然后先用洗洁精清洗裁剪后的Ti片，再用蒸馏水充分的清洗Ti片的表面；接着将该Ti片先后放入异丙醇、无水乙醇及三蒸水中各超声清洗15min，最后将Ti片取出并放入鼓风干燥箱中于120℃下干燥，备用。