[发明专利]一种钛锆复合氧化物纳米管及其原位制备方法

说明书

本发明属于纳米材料领域，涉及一种钛锆合金原位制备复合氧化物纳米管材料及其制备方法。本发明利用阳极氧化法在钛锆合金基体上原位制备钛锆复合氧化物纳米管，通过调整所述钛锆合金中锆的含量来控制所述纳米管的形貌，极大地缩短了纳米管制备时间。利用原子比配比熔炼制备TiZr合金，工艺简单，成本低，适合大规模生产。所制备的纳米管管径在32.4‑77.1nm之间，通过紫外可见近红外光谱仪测定吸收带边缘在750nm‑800nm，300‑450℃范围内热处理后的纳米管的吸收范围明显拓宽到了可见光甚至近红外区域。

技术领域：

本发明属于纳米材料领域，涉及一种在钛锆合金原位制备复合氧化物纳米管材料，并且能够通过锆含量控制纳米管的形貌并且能得到优异的光学性能。

背景技术：

纳米TiO₂是一种重要的无机功能材料，具有良好的光敏、气敏、压敏等特性，并且Ti0₂是目前最受广泛研究的光催化剂,在光照的作用下,在价带产生光生电子,光生电子跃迁到导带,而在价带产生光生空穴,光生电子与溶液中的氧反应形成超氧负离子,光生空穴与催化剂表面的氢氧根离子反应生成氧氧自由基、超氧负离子等都具有非常强的氧化性,能够将污染物分子氧化成二氧化碳和水,而释放到外界环境中,形成降解污染物的作用。并且催化剂的吸光性能与光催化反应之间存在着很好的对应关系,对光的吸光性能越强,光催化反应的活性越高。然而，在太阳光的能量分布中,有5％的紫外光,48％的可见光和44％的红外光。众所周知,Ti0₂的禁带宽度很宽(约3.2eV),仅可以吸收波长短于387nm的紫外光,这在很大程度上限制了其对于太阳光的利用，从而限制了其催化性能。为了提升TiO₂纳米管的光吸收范围，现研究较多的有两种方法：一种是通过引入氧空位,或通过阴离子或阳离子的掺杂来拓宽光吸收范围。另一种是在Ti0₂表面负载氧化物或硫化物的半导体材料,或具有窄能隙的可见光催化材料,构建表面异质结构来提高对可见光的吸收。

阳极氧化法制备的TiO₂纳米管，也被称为自组装TiO₂纳米管阵列，是一种新型的TiO₂纳米结构材料。自组装纳米管阵列的结构一般在含有F离子的体系中被制备出来。大量的研究表明纳米管具有诸多特殊的性能，高度有序的TiO₂纳米管与金属基体结合,不仅克服了颗粒材料容易团聚、不易回收的缺点,而且具较大的比表面积和较强的吸附能力，在同等条件下对污染物的降解速率明显大于传统的TiO₂颗粒薄膜材料具有很好的光催化应用前景。针对TiO₂带隙宽，光响应范围窄，量子效率低的固有缺陷，研究者们提供了一系列改性手段来提升TiO₂纳米管的光学性能，包括离子掺杂，表面贵金属修饰，等方法。比如Mor等究人员通过阳极氧化共溅射得到的Fe-Ti金属层，成功制备Fe掺杂TiO₂纳米管阵列(MOR GK,PRAKASAM H E,VARGHESE O K,.Nano Lett,2007,7(8):2356–2364)。但这类方法需要对已经形成的纳米管进行二次的加工和复合，生产工艺复杂、周期长并且前期要投入大量资金购买溅射等设备，不易于产业化推广。

目前阳极氧化制备TiO₂纳米管可以通过阳极氧化电压和氧化时间来控制纳米管的形貌。电压在一定范围内增大，管径会增大；阳极氧化的时间越长，纳米管的管长也会越长。为了获得10微米以上管长的纳米管，通常需要阳极氧化近3-4个小时，会耗费大量时间。

钛锆合金是一种被广泛研究的合金材料，因为Zr的加入有助于合金表面形成氧化层，因此钛锆合金具有优秀的耐腐蚀性能，并且力学性能和耐磨性也比较优异，同时因为其良好的生物相容性，最早被用作齿科材料。

发明内容：

本发明的第一方面是提供钛锆合金(TiZr合金)材料在制备钛锆复合氧化物纳米管材料中的应用，所述钛锆合金在阳极氧化法中作为阳极来制备钛锆复合氧化物纳米管材料，所述钛锆合金的Zr含量不低于30％原子比。