一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法技术

一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法，涉及纳米材料。FTO基底清洗；TiO2籽晶层制备；过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备。采用溶剂热的办法一步法直接在TiO2籽晶层上原位生长大面积、高度均匀、高度取向生长的过渡金属掺杂TiO2纳米棒阵列。且掺杂纳米棒阵列的形貌得以保持。所制备的材料成本低廉，操作简单，对设备要求很低；一步法实现过渡金属离子在纳米棒阵列中的掺杂；掺杂后，纳米棒的结晶性显著提升，且纳米棒阵列的形貌得以保持。

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法
本专利技术涉及纳米材料，尤其是涉及过渡金属元素掺杂TiO2纳米棒阵列的水热法一步制备，获取高结晶性的一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法。
技术介绍
随着经济社会的发展和进步，人们在享受高科技发展给人们的生活带来便利的同时，高能耗高排放等环境污染问题也随之困扰着人们，因此环境友好型的新能源受到了全世界的广泛关注。而TiO2材料在锂离子电池、太阳能电池、光催化等新能源的开发中都有着广泛地应用。一维的TiO2纳米棒阵列，由于是在特定的基底上原位取向性生长，因此具有排列整齐和载流子输运快的天生优势；与基于纳米晶颗粒组成的介孔薄膜相比，还具有晶界少、孔隙规则等特点。在实际的半导体器件应用中，相比于介孔薄膜和三维的TiO2亚微米块体而言更具优势。在光催化、光解水、太阳能电池等光电转换应用中已经体现出其独特的光电转化特性。TiO2在实际应用中已经表现出较好的电学性能，如果对TiO2进行合适的离子掺杂，电学等性能还有可能得到进一步提升[1]。此外，氧化钛在许多器件中，需要对其半导体性能(能带结构等)进行调整，以提高器件的相关性能[2]。目前，针对氧化钛的改性方法有很多种：非金属离子掺杂[3]、金属离子掺杂[4]等。但针对氧化钛纳米棒阵列的掺杂极少，且工艺较为繁琐[5]。参考文献：[1]ArchanaPS,JoseR,TanMJ,etal.StructuralandElectricalPropertiesofNb‐DopedAnataseTiO2NanowiresbyElectrospinning[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,2010,93(12):4096-4102.[2]LiW,WangY,LinH,etal.BandgaptailoringofNd3+-dopedTiO2nanoparticles[J].AppliedPhysicsLetters,2003,83(20):4143-4145.[3]TianH,HuL,LiW,etal.AfacilesynthesisofanataseN,BcodopedTiO2anodesforimproved-performancedye-sensitizedsolarcells[J].JournalofMaterialsChemistry,2011,21(20):7074-7077.[4]FabrizioG,AntonioA,PabloCBJ,etal.EnhancedelectronicpropertiesinmesoporousTiO2vialithiumdopingforhigh-efficiencyperovskitesolarcells:[J].NatureCommunications,2016,7:10379.[5]YuL,LiZ,LiuY,etal.EnhancedphotoelectrochemicalperformanceofCdSe/Mn-CdS/TiO2，nanorodarrayssolarcell[J].AppliedSurfaceScience,2014,309(4):255-262.
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有材料的不足以及制备工艺的不足，提供简单、高效、可控的对TiO2纳米棒阵列进行过渡金属元素掺杂改性的一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法。本专利技术包括以下步骤：1)FTO基底清洗；在步骤1)中，所述FTO基底清洗的具体方法可为：对于纳米棒阵列的生长基底选用FTO玻璃用洗衣粉搓洗，去除表面油污，再用水、丙酮、异丙醇、水依次超声15min清洗FTO基底；所述FTO玻璃的尺寸可采用20mm×20mm×2.2mm，所述水可采用去离子水；所述FTO基底可由其他耐盐酸腐蚀、表面平整的基底代替。2)TiO2籽晶层制备；在步骤2)中，所述TiO2籽晶层制备的具体方法可为：将钛酸四异丙酯分散在乙醇中，加入水和盐酸，用于抑制钛酸四异丙酯水解，磁力搅拌10min后，过滤，采用旋涂的方法，在2000r/60s的条件下，在FTO基底表面成膜，随后在马弗炉中进行450℃煅烧，使得生成结晶性良好的TiO2籽晶层。3)过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备。在步骤3)中，所述过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备的具体方法可为：将旋有籽晶层的FTO放置于密闭的高压水热反应釜体系中，并添加金属盐到溶剂热标准反应溶液中，进行溶剂热反应，溶剂热反应标准溶液中的典型成分质量比为：盐酸︰丁酮︰二乙基丁酸︰钛酸四丁酯＝3︰2︰1︰0.3，所述盐酸可采用37％质量含量的浓盐酸；所述金属盐的金属离子可选自钽(Ta)、钇(Y)、铌(Nb)等中的一种，所述金属盐可采用卤化盐、硝酸盐、醋酸盐等中的一种；金属离子与钛酸四丁酯中钛元素的摩尔比可为0～5％，优选0～0.5％；所述溶剂热反应的填充度可为0.5～0.7，反应的温度可为180～230℃，反应的时间可为30～100min，即完成纳米棒阵列的一步法掺杂生长。本专利技术采用溶剂热的办法一步法直接在TiO2籽晶层上原位生长大面积、高度均匀、高度取向生长的过渡金属掺杂TiO2纳米棒阵列。且掺杂纳米棒阵列的形貌得以保持。本专利技术的原理是在溶剂热制备纳米棒阵列的前驱体液中加入适量的掺杂源(金属盐)，金属离子将参与到TiO2纳米棒阵列的外延定向生长过程中，从而实现掺杂型TiO2纳米棒阵列的制备及其晶体结构和能带结构的改变。本专利技术采用过渡金属掺杂一步合成的TiO2纳米棒阵列具有高度取向性、结晶性优异、尺寸均一等特点，同时兼具设备简单、低成本等优点，具有广阔的应用前景。与现有技术相比，本专利技术具有以下显著优点：本专利技术所制备的材料成本低廉，操作简单，对设备要求很低；一步法实现过渡金属离子在纳米棒阵列中的掺杂；掺杂后，纳米棒的结晶性显著提升，且纳米棒阵列的形貌得以保持。附图说明图1为0.1％的Ta掺杂的TiO2纳米棒阵列的XRD图。图2为0.1％的Ta掺杂的TiO2纳米棒阵列的SEM表面图。在图2中，标尺为200nm。图3为0.1％的Ta掺杂TiO2纳米棒的EDS分析。图4为0.2％的Ta掺杂的TiO2纳米棒阵列的XRD图。图5为0.2％的Ta掺杂的TiO2纳米棒阵列的SEM表面图，在图5中，标尺为200nm。图6为5％的Y掺杂的TiO2纳米棒阵列的SEM表面图。在图6中，标尺为200nm。图7为5％的Y掺杂TiO2纳米棒的EDS分析。图8为5％的Nb掺杂的TiO2纳米棒阵列的SEM表面图。在图8中，标尺为200nm。图9为5％的Nb掺杂TiO2纳米棒的EDS分析。具体实施方式以下实施例将结合附图对本专利技术作进一步的说明。实施例1下面结合附图和具体步骤对本专利技术作进一步详细说明。实施例1主要描述了采不同质量分数的TaCl5作为掺杂源，来制备Ta掺杂的TiO2纳米棒阵列。纳米棒阵列的形貌见图1和2，成分分析见图3。步骤一、FTO的清洗对于纳米棒阵列的生长基底本专利技术选用FTO，首先将20mm×20mm×2.2mm的FTO玻璃用洗衣粉搓洗，去除表面油污，然后再用去离子水，丙酮，异丙醇，依次超声15min清洗FTO基底。随后从玻璃清洗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)FTO基底清洗；2)TiO2籽晶层制备；3)过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备。

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)FTO基底清洗；2)TiO2籽晶层制备；3)过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备。2.如权利要求1所述一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述FTO基底清洗的具体方法为：对于纳米棒阵列的生长基底选用FTO玻璃用洗衣粉搓洗，去除表面油污，再用水、丙酮、异丙醇、水依次超声15min清洗FTO基底。3.如权利要求2所述一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于所述FTO玻璃的尺寸采用20mm×20mm×2.2mm。4.如权利要求2所述一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于所述水采用去离子水。5.如权利要求2所述一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于所述FTO基底由耐盐酸腐蚀、表面平整的基底代替。6.如权利要求1所述一种过渡金属元素掺杂的TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述TiO2籽晶层制备的具体方法为：将钛酸四异丙酯分散在乙醇中，加入水和盐酸，用于抑制钛酸四异丙酯水解，磁力搅拌10min后，过滤，采用旋涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鑫，杨隆凯，黄海宁，崔千，曹冰冰，王泽宇，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35