一种定向生长的二氧化钛纳米簇阵列的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种定向生长的二氧化钛纳米簇阵列的制备方法，属于纳米材料制备技术领域，其特征在于可通过如下技术方案实现：利用双光束或多光束激光干涉光路系统，对清洗过的FTO导电基底进行激光干涉光刻刻蚀，将预图案化的FTO导电基底放进由去离子水、钛酸四丁酯、浓硫酸组成的溶液中进行水热反应，通过恒温干燥箱加热，制备出定向生长的二氧化钛纳米簇阵列。二氧化钛纳米簇阵列的生长周期可通过改变激光干涉光刻的参数，使其周期从纳米级到微米级可调，二氧化钛纳米线的直径和长度可通过改变水热法的加热时间和加热温度进行调节。

Method for preparing directionally grown titania nano cluster array

The invention relates to a preparation method of a directional growth of TiO2 nano cluster array, which belongs to the technical field of nano material preparation, which is characterized by the following technical scheme: laser interferometer system using dual beam or multiple beam, on FTO substrate cleaned by laser interference lithography etching solution, conductive FTO the basement consists of pre patterned into deionized water, four butyl titanate and sulfuric acid in the hydrothermal reaction, through constant temperature drying oven, preparation of titanium dioxide nano cluster array oriented growth. The growth cycle of TiO2 nanoclusters arrays are available by changing the parameters of laser interference photolithography, the period from nanometer to micrometer adjustable TiO2 nanowire diameter and length can be adjusted by changing the hydrothermal heating time and heating temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种定向生长的二氧化钛纳米簇阵列的制备方法
本专利技术涉及一种定向生长的二氧化钛纳米簇阵列的制备方法，属于纳米材料加工领域。
技术介绍
在20世纪诞生了纳米科技这一新生学科，纳米科学与技术是一门在纳米尺度上，研究分子、原子和电子运动规律和特点的交叉学科，人类研究开发这门学科的最终目标是探索微观世界并根据自身的需求直接操作或控制单个原子。纳米科技自提出以来就受到了科学家的广泛关注，在短短的几十年里得到了迅速发展。纳米材料学作为纳米科技的分支，因其在理论上的重要意义以及应用上的巨大潜力而成为科学研究的前沿和热点，其中纳米量级TiO2由于其特殊的物理和化学性质，使其广泛应用于环境、医疗、军事等方面。作为一种重要的半导体光催化材料，二氧化钛有着催化活性高、价格低廉、无毒和稳定性好等特点，在空气净化、自清洁和废水处理等多个领域已取得较好应用。相对于粉体悬浮体系，二氧化钛薄膜材料具有比表面积大、尺寸小、无需二次分离等特点，工业应用前景更为宽广，近年来受到了广泛重视。由于二氧化钛禁带宽度较宽，对太阳光的吸收仅限于紫外区，因此太阳光利用率不足百分之三；而且光生载流子易于发生复合而降低量子产率，制约着光催化效率。为此，制备具有高光催化效率的二氧化钛薄膜显得极为重要。目前，制备二氧化钛薄膜的方法主要有气相法、液相法。气相法制备出的纳米薄膜纯度高、分散性好，但对设备要求很高，产量低，不适于工业生产；液相法中的溶胶-凝胶法制备的薄膜纯度高，且制备工艺简单，易批量生产，但得到的TiO2粒子在制备初期均为无定形，还需一定温度的晶化热处理。在众多方法中，液相制备法中的水热法具有了其他方法所不具备的优点：制备出的二氧化钛粒子纯度高、分散性好、无需高温煅烧；晶粒物相和形貌易控；工艺较为简单，成本也较低。但在实际应用中二氧化钛纳米粒子还有很多尚未解决的问题，光生电子与空穴的快速复合导致光催化效率降低是最大阻碍。国内外研究人员为显著改善二氧化钛的光吸收特性，主要采用了掺杂过渡金属离子和非金属元素等方法，这些方法使其价带顶向禁带延伸而引起禁带宽度变窄效应，从而拓宽了光谱响应，晶界处易于俘获光生空穴，从而降低光生载流子的复合，有利于提高光催化效率。制备出复合纳米结构在一定程度上提高光催化效率，但制备过程大多对实验要求较高，距工业生产仍具有一定差距。本专利技术提出一种在制备二氧化钛纳米结构前，对基底进行预图案化处理的方法，制备出了定向生长的纳米团簇，纳米线的长度和直径都可通过控制水热法条件进行调控。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种制备定向生长的二氧化钛纳米簇阵列的制备方法，具有工艺简单、操作方便、适合于规模化生产等优点，可应用于抗紫外材料、造纸工业、航天工业、锂电池等领域。本专利技术提供的一种制备定向生长的二氧化钛纳米簇阵列的制备方法，制备工艺如下：(1)基底的清洗：将表面积为1-4cm2的FTO导电基底依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，每次100-150s，取出后在室温下干燥；(2)基底的预图案化：利用双光束或多光束激光干涉光路系统，对清洗过的FTO导电基底进行激光干涉辐照刻蚀，通过调节入射角、曝光能量等参数，实现激光干涉系统干涉图案的特征尺寸从纳米级到微米级可调，从而在FTO导电基底表面上干涉得到不同周期的结构，完成FTO导电基底表面的预图案化处理；(3)水热法制备：将10-30mL去离子水与10-30mL酸液中，去离子水与酸液两者体积比按1:1混合，混合溶液搅拌5-10min，之后加入500-700μL钛盐中，混合溶液和钛盐比例为20～60:1，混合溶液再次搅拌5-10min，将混合溶液倒入水热反应釜中，将步骤(2)中预图案化的FTO导电基底斜靠在水热反应釜内衬上，拧紧水热反应釜，将水热反应釜放在恒温干燥箱中，设定所需加热温度，待加热完毕后，关闭恒温干燥箱电源，在室温下冷却水热反应釜10-15min后，取出生长有二氧化钛纳米簇阵列的FTO导电基底，在室温下干燥，从而得到二氧化钛纳米簇阵列。所述步骤(2)中，FTO导电基底表面的预图案化的周期是5-10μm。所述步骤(3)中，二氧化钛纳米簇阵列的周期5-10μm，与步骤(2)FTO导电基底表面的预图案化分布相同。所述步骤(3)水热法制备过程中，酸源为98.0％的浓硫酸H2SO4或98％冰醋酸；钛盐选自四氯化钛(TiCl4)或钛酸四丁酯(TBT)。所述步骤(3)水热法制备过程中，通过恒温干燥箱加热温度和时间控制二氧化钛纳米线的长度和直径，恒温干燥箱加热温度为120-170℃，加热时间为4-8h；制备所得的二氧化钛纳米簇阵列中的二氧化钛纳米线直径为100-300nm，长度为1-6μm。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)采用激光干涉光刻技术改变FTO导电基底表面能，使二氧化钛纳米簇阵列可实现定向生长，且刻蚀出的结构周期可通过激光干涉光刻的参数进行调节。(2)用水热法制备出的二氧化钛纳米簇阵列大小可控，可通过改变实验条件得到不同形貌的纳米结构，且二氧化钛纳米簇阵列分散性好，透光性较好。(3)制备工艺简单，操作方便，生产成本较低，便于推广应用，适用于大规模生产。附图说明图1为本专利技术的制备流程图；图2为双光束干涉制备的图案化有序二氧化钛纳米簇阵列的SEM图和样品X射线衍射图谱；其中左上图是低分辨率的二氧化钛纳米簇阵列，右上图是高分辨率的二氧化钛纳米簇阵列，左下图是二氧化钛纳米簇阵列的侧视图，右下图是二氧化钛纳米簇阵列的X射线衍射图谱；图3为三光束干涉制备的图案化有序二氧化钛纳米簇阵列的SEM图，其中左上图和右上图是低分辨率的二氧化钛纳米簇阵列，左下图和右下图是高分辨率的二氧化钛纳米簇阵列。具体实施方式下面结合附图及具体实施例详细介绍本专利技术。但以下的实施例仅限于解释本专利技术，本专利技术的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。如图1所示，搭建双光束或三光束激光干涉光路系统，对FTO导电基底进行预图案化处理，之后利用水热法在预图案化的FTO导电基底上生长二氧化钛纳米簇阵列。如图2所示，是由搭建的双光束激光干涉光路系统对FTO导电基底进行预图案化处理后，利用水热法生长出的二氧化钛纳米簇阵列。其中左上图是低分辨率的二氧化钛纳米簇阵列，右上图是高分辨率的二氧化钛纳米簇阵列，左下图是二氧化钛纳米簇阵列的侧视图，右下图是二氧化钛纳米簇阵列的X射线衍射图谱。图中预图案化的FTO导电基底呈线栅状，周期为7μm，二氧化钛纳米簇阵列的生长周期同样为7μm，二氧化钛纳米线直径200nm，长度3μm，且二氧化钛纳米簇阵列只生长在FTO导电基底未被激光干涉光刻刻蚀的部分，实现了二氧化钛纳米簇阵列的定向生长。如图3所示，是由搭建的三光束激光干涉光路系统对FTO导电基底进行预图案化处理后，利用水热法生长出的二氧化钛纳米簇阵列。其中左上图和右上图是低分辨率的二氧化钛纳米簇阵列，左下图和右下图是高分辨率的二氧化钛纳米簇阵列。图中预图案化的FTO导电基底呈点阵状，周期为7μm，二氧化钛纳米簇阵列的生长周期同样为7μm，二氧化钛纳米线直径200nm，长度3μm，且二氧化钛纳米簇阵列只生长在FTO导电基底未被激光干涉光刻刻蚀的部分，实现了二氧化钛纳米簇阵列的定向生长。实例1：(1)FTO导电基底本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定向生长的二氧化钛纳米簇阵列的制备方法，其特征在于制备方法包括以下步骤：(1)基底的清洗：将表面积为1‑4cm

【技术特征摘要】
1.一种定向生长的二氧化钛纳米簇阵列的制备方法，其特征在于制备方法包括以下步骤：(1)基底的清洗：将表面积为1-4cm2的FTO导电基底依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，每次100-150s，取出后在室温下干燥；(2)基底的预图案化：利用双光束或多光束激光干涉光路系统，对清洗过的FTO导电基底进行激光干涉辐照刻蚀，完成FTO导电基底表面的预图案化处理；(3)水热法制备：将10-30mL去离子水与10-30mL酸液中，去离子水与酸液两者体积比按1:1混合，混合溶液搅拌5-10min，之后加入500-700μL钛盐中，混合溶液和钛盐比例为20～60:1，混合溶液再次搅拌5-10min，将混合溶液倒入水热反应釜中，将步骤(2)中预图案化的FTO导电基底斜靠在水热反应釜内衬上，拧紧水热反应釜，将水热反应釜放在恒温干燥箱中，设定所需加热温度，待加热完毕后，关闭恒温干燥箱电源，在室温下冷却水热反应釜10-15min后，取出生长有二氧化钛纳米簇阵列的FTO导电基底，在室温下干燥，从而得到二氧化钛纳米簇阵列。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，FTO导电基底表面的预图案化的周期是5-10μm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王作斌，宁晓辉，丁然，孟庆玲，韩永路，周东阳，李理，曹亮，翁占坤，董莉彤，宋正勋，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22