一种二氧化钛多孔纳米线及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种二氧化钛多孔纳米线及其制备方法。该方法包括以下步骤：将钛源分散于含有氢氧化锂的双氧水水溶液中，搅拌形成透明溶液A；将透明溶液A进行加热反应获得纳米线状结构前驱物B；将纳米线状结构前驱物B分离后，经低温退火处理获得纳米线状结构前驱物C；将纳米线状结构前驱物C分散于酸溶液中进行氢离子交换，得到纳米线状结构前驱物D；将纳米线状结构前驱物D经高温退火处理获得多孔纳米线状结构二氧化钛产物E，即二氧化钛多孔纳米线。本发明专利技术还提供了上述方法制备的二氧化钛多孔纳米线。该二氧化钛纳米线具有多孔结构，可大大增加纳米线结构的比表面积，提升材料在电池电极、催化、光催化、传感、太阳能电池、亲疏水、生物等领域的应用效果。

A Titanium Dioxide Porous Nanowire and Its Preparation Method

The invention provides a porous titanium dioxide nanowire and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: dispersing titanium source in aqueous hydrogen peroxide solution containing lithium hydroxide, stirring to form transparent solution A; heating transparent solution A to obtain nanowire structure precursor B; separating nanowire structure precursor B and annealing at low temperature to obtain nanowire structure precursor C; and dispersing nanowire structure precursor C into acid solution. Nanowire structure precursor D was obtained by hydrogen ion exchange, and porous nanowire structure titanium dioxide product E, namely porous titanium dioxide nanowire, was obtained by annealing nanowire structure precursor D at high temperature. The invention also provides porous titanium dioxide nanowires prepared by the above method. The nanowires have porous structure, which can greatly increase the specific surface area of nanowires and enhance the application effect of materials in battery electrodes, catalysis, photocatalysis, sensing, solar cells, hydrophobic, biological and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化钛多孔纳米线及其制备方法
本专利技术涉及一种二氧化钛多孔纳米线及其制备方法，属于纳米材料制备

技术介绍
二氧化钛由于在光解水、催化、光催化、锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、染料敏化太阳能电池和传感器等领域具有广阔的应用前景，是材料领域研究的热点。二氧化钛的应用性能与其形貌结构密切相关。例如，相比于单晶二氧化钛纳米颗粒而言，一维二氧化钛纳米材料可以减少颗粒间的晶界，有利于载流子在长轴方向上的输运，具有以下一些特点：(1)该纳米尺度下，二氧化钛比表面积和活性位点会急剧增加，可大大加速其表面反应及其和媒介的相互作用；(2)在光催化领域，有利于光生电子-空穴对在长轴方向上自由迁移，减少电子空穴的复合几率，提高光催化效率；(3)在电池电极材料领域，长轴有利于电子的有效迁移，短轴有利于锂、钠或钾离子的快速嵌入与嵌出过程，相比于纳米颗粒而言，一维结构具有较好的充放电性能；(4)在染料敏化太阳能电池领域，一维纳米结构可以大大减少颗粒间的晶界，有利于电子在光阳极上的传输，大大提高电池的效率；(5)一维纳米结构具有较大的比表面积，同时单根纳米线还具有较大的质量，在光催化反应后极易自沉降进行分离，提高材料的重复再利用效果。多孔二氧化钛材料具有大的比表面积、高的孔隙率，使其在应用方面具有许多优异的特性。然而，目前报道的多孔二氧化钛材料为颗粒状，如多孔球、多孔纳米介晶颗粒等，具有较多的晶界，易成为光生电子-空穴的复合中心。因此，将一维结构与多孔结构结合制备具有一维多孔纳米线结构的二氧化钛纳米材料，在大大提高材料比表面积的同时减少颗粒间的晶界，解决电子-空穴易于复合的难题以及提升电子在长轴方向的有效输运是本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种二氧化钛多孔纳米线的制备方法，该方法制备得到的二氧化钛纳米线具有多孔结构，可大大增加纳米线结构的比表面积，提升材料在电池电极、催化、光催化、传感、太阳能电池、亲疏水、生物等领域的应用效果。为达到上述目的，本专利技术提供了一种二氧化钛多孔纳米线的制备方法，其包括以下步骤(其流程如图1所示)：S1、将钛源分散于含有氢氧化锂的双氧水水溶液中，搅拌形成透明溶液A；S2、将所述透明溶液A进行加热反应获得纳米线状结构前驱物B；S3、将所述纳米线状结构前驱物B分离后，经低温退火处理获得纳米线状结构前驱物C；S4、将所述纳米线状结构前驱物C分散于酸溶液中进行氢离子交换，得到纳米线状结构前驱物D；S5、将所述纳米线状结构前驱物D经高温退火处理获得多孔纳米线状结构二氧化钛产物E，即所述二氧化钛多孔纳米线。在上述制备方法中，优选地，在S1中，钛源的摩尔浓度为0.01摩尔/升至1摩尔/升；所述钛源中的钛与氢氧化锂的摩尔比为1:100至1:1；更优选地，所述钛源选自乙醇钛、丙醇钛、钛酸四丁酯、乙二醇钛、丙三醇钛、硫酸钛、硫酸氧钛、四氯化钛、四氟化钛、氟钛酸铵和钛酸等中的一种或者几种的组合。在上述制备方法中，优选地，所述含有氢氧化锂的双氧水水溶液中，氢氧化锂的浓度为0.4摩尔/升至1.0摩尔/升，双氧水的体积分数为千分之五至百分之十。在上述制备方法中，优选地，所述加热反应的温度为60摄氏度至100摄氏度；所述加热反应的时间为0.5小时至24小时。在上述制备方法中，优选地，所述低温退火处理的温度为150摄氏度至250摄氏度；所述低温退火处理的时间为1小时至24小时。在上述制备方法中，优选地，所述酸溶液的酸选自盐酸、硝酸、硫酸和醋酸中的一种或者几种的组合；所述酸溶液的浓度为0.001摩尔/升至0.1摩尔/升。前驱物C与酸溶液的比例没有明确要求，可以根据实际需要进行控制。在上述制备方法中，优选地，所述高温退火的温度为300摄氏度至1500摄氏度，更优选为300摄氏度至1000摄氏度；所述高温退火处理的时间为1小时至24小时。本专利技术还提供了上述制备方法制备得到的二氧化钛多孔纳米线。本专利技术还提供了对上述二氧化钛多孔纳米线进行表面修饰的方法；其中，所述表面修饰包括负载碳、负载碳纳米管、负载石墨烯、负载黑磷、负载氧化钌、负载氧化铅、负载氧化镍、负载金属铂、负载金属金、负载金属银和负载金属铜等中的一种或者几种的组合。本专利技术还提供了对上述二氧化钛多孔纳米线进行半导体复合的方法；其中，所述半导体复合包括硫化镉半导体复合、硫化铅半导体复合、氧化铜半导体复合、氧化亚铜半导体复合、氧化铁半导体复合、氧化亚铁半导体复合、氧化钨半导体复合、氧化锌半导体复合、磷化镓半导体复合、锡化镉半导体复合、硫化钼半导体复合和氮化碳半导体复合等中的一种或者几种的组合。本专利技术还提供了上述二氧化钛多孔纳米线用于锂离子电池材料、钠离子电池材料、钾离子电池材料、催化加氢材料、光催化降解有机污染物、光催化分解水制氢、气体传感、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、亲疏水材料和生物医学领域等中的一种或几种的用途。本专利技术的制备方法的优点在于：(1)该方法提供的二氧化钛多孔纳米线的制备技术是其它方法所无法实现的。(2)该方法提供的多孔结构可增加纳米线的比表面积，增加反应的活性位点。(3)该方法提供的一维线状结构可减少颗粒间的晶界，有利于载流子在长轴方向上的输运，提升材料的应用效果。(4)该方法制备得到的二氧化钛多孔纳米线具有较高的光催化性能和锂离子电池的应用效果。(5)该方法制备工艺简单，工艺参数易控制，易于大规模工业化生产。(6)该方法原料易得，生产成本较低。本专利技术的二氧化钛多孔纳米线的优点在于：(1)二氧化钛多孔纳米线的长轴结构有利于电子的有效迁移，多孔结构有利于锂离子、钠离子或钾离子的快速嵌入与嵌出过程，大的比表面积有利于电解液与电极的接触面积，减少电流密度，具有较好的电池快速充放电性能。(2)二氧化钛多孔纳米线的结构有利于电子-空穴分离，增加催化反应活性位点，具有较高的光催化活性，有利于光解水制氢或光催化降解有机污染物。(3)二氧化钛多孔纳米线的结构的比表面积较大，能够吸附较多的染料，同时一维结构有利于电子的传输，在染料敏化太阳能电池方面有优势。(4)二氧化钛多孔纳米线的结构有利于气体传感，例如应用于氢气、氧气、甲醛、丙烷、乙烷、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、水汽等气体的传感。(5)二氧化钛多孔纳米线的结构较大的比表面积，能吸附较多的有机物或重金属离子，起到吸附分离的效果。附图说明图1为本专利技术提供的二氧化钛多孔纳米线的制备方法的流程示意图。图2为实施例1的纳米线状结构前驱物B的SEM图。图3为实施例1的多孔纳米线二氧化钛产物E的SEM图。图4为实施例1的多孔纳米线二氧化钛产物E的XRD图，为锐钛矿相。图5为实施例1的多孔纳米线二氧化钛产物E的光催化降解罗丹明B的速率图。图6为实施例6的多孔纳米线二氧化钛产物E的SEM形貌和XRD结构图。图7为实施例7的多孔纳米线二氧化钛产物E的SEM形貌和XRD结构图。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化钛多孔纳米线的制备方法，其包括以下步骤：S1、将钛源分散于含有氢氧化锂的双氧水水溶液中，搅拌形成透明溶液A；S2、将所述透明溶液A进行加热反应获得纳米线状结构前驱物B；S3、将所述纳米线状结构前驱物B分离后，经低温退火处理获得纳米线状结构前驱物C；S4、将所述纳米线状结构前驱物C分散于酸溶液中进行氢离子交换，得到纳米线状结构前驱物D；S5、将所述纳米线状结构前驱物D经高温退火处理获得多孔纳米线状结构二氧化钛产物E，即所述二氧化钛多孔纳米线。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛多孔纳米线的制备方法，其包括以下步骤：S1、将钛源分散于含有氢氧化锂的双氧水水溶液中，搅拌形成透明溶液A；S2、将所述透明溶液A进行加热反应获得纳米线状结构前驱物B；S3、将所述纳米线状结构前驱物B分离后，经低温退火处理获得纳米线状结构前驱物C；S4、将所述纳米线状结构前驱物C分散于酸溶液中进行氢离子交换，得到纳米线状结构前驱物D；S5、将所述纳米线状结构前驱物D经高温退火处理获得多孔纳米线状结构二氧化钛产物E，即所述二氧化钛多孔纳米线。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在S1中，钛源的摩尔浓度为0.01摩尔/升至1摩尔/升；所述钛源中的钛与氢氧化锂的摩尔比为1:100至1:1；优选地，所述钛源选自乙醇钛、丙醇钛、钛酸四丁酯、乙二醇钛、丙三醇钛、硫酸钛、硫酸氧钛、四氯化钛、四氟化钛、氟钛酸铵和钛酸中的一种或者几种的组合。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述含有氢氧化锂的双氧水水溶液中，氢氧化锂的浓度为0.4摩尔/升至1.0摩尔/升，双氧水的体积分数为千分之五至百分之十。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述加热反应的温度为60摄氏度至100摄氏度；所述加热反应的时间为0.5小时至24小时。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述低温退火处理的温度为150摄氏度至250摄氏度；所述低温退火处理的时间为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建明，刘合，王晓琦，金旭，焦航，刘晓丹，孙亮，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11