[发明专利]一种TiO2纳米薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化材料制备领域，尤其是涉及一种TiO₂纳米薄膜材料及其制备方法。

背景技术

TiO₂纳米管由于具有较大的比表面积，合适的禁带宽度、良好的光催化活性；对CO、H₂、NH₃等气体敏感、很高的超亲水性、自洁净性能以及良好的生物相容性；对环境友好无毒无害、成本较低等优点，因此在生物透析膜、多相光催化、传感器、介电材料以及自洁材料等领域应用广泛。此外，TiO₂纳米管的管状结构、管长、管径以及壁厚对其使用性能有较大的影响，因此其结构也备受广大科研工作者的关注。

近几年来，TiO₂纳米管的制备方法已经有了大量的报道，如：水热法、模板法、溶胶凝胶法以及阳极氧化法等。中国专利CN1760113A公开了TiO₂纳米管膜的制备方法。通过阳极氧化法在基片上制备出结构有序、形貌尺寸可控的TiO₂纳米管膜层。虽然该专利获得了性能较佳的超双亲性和超疏水性材料，但是制备过程繁琐，并且制备过程中所采用的HF电解液，属于危险物品对环境存在污染问题，不利于将来市场化大规模生产。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种TiO₂纳米薄膜材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种TiO₂纳米薄膜材料，该薄膜材料为由超长TiO₂纳米管交错分布形成的网络结构，所述的超长TiO₂纳米管的长度为0.4～30μm。

所述的超长TiO₂纳米管的壁厚为2～10nm，内径为5-20nm。

TiO₂纳米薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用水解法水解四氯化钛，将水解产物洗涤干燥，得到金红石与锐钛矿两相混合的TiO₂纳米颗粒；

(2)取步骤(1)制得的TiO₂纳米颗粒加入NaOH溶液中，搅拌并进行水热反应，反应结束后，洗涤产物使溶液pH＝7，得到超长TiO₂纳米管水溶液；

(3)将步骤(2)中的TiO₂纳米管水溶液抽滤成膜，干燥后即得到目的产品。

步骤(1)中四氯化钛水解的具体步骤为：取TiCl₄，以1ml/min速度搅拌滴加至去离子水中，静置反应，即得到水解产物。

水解过程中，TiCl₄与去离子水添加的体积比为1：(2.5～3)；

静置反应的温度为30-60℃，反应时间为12-72h。

步骤(1)中水解产物的洗涤为依次用乙醇和去离子水清洗；

干燥的温度为60～80℃。

步骤(2)中水热反应的工艺条件为：在0～5000rpm的转速、100～150℃下，反应12～72h。搅拌在反应过程中起到作用为：促进物质扩散，加快反应进程；并阻止反应溶液中产生沉淀形成均匀的溶液反应体系，提供向心力使发生反应形成的初级晶体或较小的纳米管排列整齐加快纳米管的生长，有利于纳米管长度生长；同时增大物质之间的碰撞几率对已经形成纳米管晶体的缺陷进行修复完善晶体结构；但转速过大产生较高的力反而会破坏纳米管结构，因此转速对纳米管的结构生长具有重要调节作用。

步骤(2)中NaOH溶液的浓度为8-12mol/L。步骤(2)中产物洗涤为经酸洗和去离子水洗使pH＝7。优选的，酸洗采用0.05～0.3mol/L的稀硝酸溶液。在此过程中，NaOH溶液提供反应场所与TiO₂纳米颗粒发生反应形成钛酸盐纳米结构；采用酸洗的目的在于提供H⁺离子置换出钛酸盐纳米结构中的Na⁺离子，并促进结构进一步形成纳米管。

步骤(3)抽滤过程中：抽滤时间为20min左右；

滤膜的孔径为0.45μm。抽滤过程中，纳米管溶液加入量与抽滤时间成正比例关系，加入量越大所需的抽滤时间越长；而纳米管成膜主要依靠抽滤过程中产生的压力将纳米管压实成膜，延长抽滤时间有利于纳米管的聚集使形成的纳米管薄膜厚度下降。

步骤(3)中干燥的工艺条件为：在40～80℃下干燥1～5h。