一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法技术

本发明专利技术公开的一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，首先采用高纯金属Ti箔在25℃～50℃水浴下用质量浓度为20％～25％的HCl溶液进行刻蚀20h～40h，获得多孔Ti箔，接着将清洗的多孔Ti箔置于浓度为0.1mol/L～5mol/L的Na2S溶液中进行水热反应，获得钛酸钠纳米片团簇膜，然后将烘干的钛酸钠纳米片经过酸中离子交换，得到偏钛酸纳米片团簇膜，最后将偏钛酸纳米片团簇膜进行退火，完全分解反应后形成TiO2纳米片团簇膜。本发明专利技术的原位制备方法解决了现有制备方法制备的纳米粉容易团聚及一维纳米线直径较大的问题。

In-situ preparation of nano-titanium dioxide cluster membranes

The present invention discloses an in-situ preparation method of nano-titania sheet cluster film. First, high purity Ti foil is etched in 20%~25% HCl solution for 20 h~40 h in 25 ~50 ~C water bath to obtain porous Ti foil. Then, the cleaning porous Ti foil is placed in Na2S solution with concentration of 0.1 mol/L~5 mol/L for hydrothermal reaction to obtain sodium titanate nano-sheet cluster film. Then the dried sodium titanate nanosheets were ion exchanged in acid to obtain metatitanate nanosheet cluster membranes. Finally, the metatitanate nanosheet cluster membranes were annealed and decomposed to form nanosheet cluster membranes. The in-situ preparation method of the invention solves the problems of easy agglomeration of nano-powder prepared by the existing preparation method and large diameter of one-dimensional nanowires.

【技术实现步骤摘要】
一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法
本专利技术属于无机纳米材料的制备
，具体涉及一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法。
技术介绍
TiO2是一种化学性质非常稳定的重要无机功能材料，在太阳能电池、光催化、光解水、传感器、食品包装、涂料、功能陶瓷、高档油漆及磁记录材料等方面有广阔的应用前景。超薄二维纳米片TiO2由于其独特的形貌结构、较大的表面体积比和原子级的层片厚度而具有显著的屏蔽效应和发射光线的能力，因而在颜料或涂料等领域中显示出优于其它形状的性能。到目前为止，已经报道了多种制备TiO2纳米结构的方法，包括化学组装法、静电纺丝法、化学气相沉积法、电化学阳极氧化法、溶胶-凝胶法和碱性溶液水热法。其中溶胶-凝胶法和碱性溶液水热法是最成熟的制备方法，溶胶-凝胶法一般利用Ti醇盐作原料，经水解与凝胶等过程，再经低温干燥、烧结处理得到纳米TiO2颗粒或片状粉末，如中国专利号为CN200510111204.3，公开日为2006.06.21，专利名称为“一种金红石相纳米二氧化钛的制备方法”的专利和文献(尹隽等，TiO2片状粉末制备的研究，中国粉体技术，2005,6:9-12)，该方法最常用的Ti醇盐挥发性极强，一遇到空气就快速水解，所以操作困难，而且制备的纳米粉容易团聚或体相尺寸，难以达到理论预期的良好效果。碱溶液水热法制备TiO2纳米材料是将Ti前驱体(钛箔或钛氧粉体)加入NaOH水溶液中，通过水热反应获得钛酸钠纳米材料，然后将其置于酸中进行离子交換，获得钛酸纳米材料，最后将钛酸纳米材料通过水热或者焙烧转变为TiO2纳米材料，例如，Que等采用Ti箔，在浓度为1mol/L的NaOH溶液中220℃水热反应，得到钛酸钠纳米线阵列，然后经过酸中离子交换和焙烧工艺转变为TiO2纳米线阵列[L.Que,Z.Lan,W.Wu,etal.JournalofPowerSources,2014,266:440-447]；Wang等人报道了采用Ti箔在180℃的10mol/LNaOH溶液中水热反应得到钛酸钠纳米线阵列，然后经过酸中离子交换和焙烧工艺转变为TiO2纳米线阵列[W.Wang,H.Lin,J.Li,etal.,J.Am.Ceram.Soc.，2008,91:628–631]；Ti箔制备TiO2纳米材料不需要模板和催化剂，简便易行，成本低，但是该方法制备的TiO2都是直径比较大的一维纳米线阵列，另外，关于水热法原位制备二维TiO2纳米片膜的制备还没有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，解决了现有制备方法制备的TiO2纳米粉容易团聚及一维纳米线直径较大的问题。本专利技术所采用的一个技术方案是，一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，具体按照如下步骤实施：步骤1、制备多孔Ti箔；步骤2、制备钛酸钠纳米片团簇膜；步骤3、制备TiO2纳米片团簇膜。本专利技术的特点还在于：步骤1的具体过程如下：将清洗后的Ti箔置于HCl溶液中进行反应刻蚀，然后取出刻蚀后的Ti箔，并依次进行清洗、干燥，获得多孔Ti箔。步骤1中，HCl溶液的质量浓度为20％～25％。步骤1中，刻蚀温度为25℃～50℃，刻蚀时间为20h～40h。步骤1中，经刻蚀后的Ti箔用去离子水清洗多次，直至清洗液的pH值为7，接着在60℃～80℃真空环境下干燥10h～15h，获得多孔Ti箔。步骤2的具体过程如下：向水热反应釜中依次加入Na2S反应液和步骤1得到的多孔Ti箔后密封，接着将水热反应釜置于温度为180℃～220℃的鼓风烘箱中水热反应12h～24h，然后取出反应后的Ti箔负载物，并对该Ti箔负载物依次进行清洗及干燥，获得Ti箔负载的钛酸钠纳米片团簇膜。步骤2中，Na2S反应液的浓度为0.1mol/L～5mol/L。步骤3的具体过程如下：步骤3.1、向可封口的玻璃容器中依次加入HCl溶液及步骤2得到的Ti箔负载的钛酸钠纳米片团簇膜后封口，接着将玻璃容器置入温度为30℃～50℃的水浴中反应5h～10h；步骤3.2、将反应后的Ti箔负载的钛酸钠纳米片团簇膜取出，并对反应后的Ti负载的钛酸钠纳米片团簇膜依次进行清洗及干燥，得到Ti箔负载的偏钛酸纳米片团簇膜；步骤3.3、将Ti箔负载的偏钛酸纳米片团簇膜进行空气环境退火处理，待偏钛酸完全热分解之后，得到TiO2纳米片团簇膜。步骤3.1中，HCl溶液的质量浓度为10％～20％，体积为100ml。步骤3.3中，所述退火温度为350℃～500℃，退火时间为3h～5h。本专利技术的有益效果是，本专利技术的TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，具有工艺简单、成本低廉及重复性好的优点，整个工艺中最关键的技术：一是刻蚀金属Ti箔所采用的HCl浓度、刻蚀温度和时间，二是碱溶液水热反应中Na2S反应液的浓度、反应温度和时间，通过简单的调节反应液中Na2S反应液的浓度可以调节TiO2纳米片的尺寸和空隙结构；采用本专利技术制备的TiO2纳米片团簇膜，可用于敏化太阳能电池中对电极催化材料的负载支架，也可用于柔性超级电容器中电极材料的支撑架和集流体。附图说明图1为刻蚀12h时Ti箔表面SEM图；图2为刻蚀24h时Ti箔表面SEM图；图3为刻蚀36h时Ti箔表面SEM图；图4为刻蚀48h时Ti箔表面SEM图；图5为0mol/LNa2S反应液水热制备的TiO2纳米片团簇膜的SEM图；图6为0.1mol/LNa2S反应液水热制备的TiO2纳米片团簇膜的SEM图；图7为0.5mol/LNa2S反应液水热制备的TiO2纳米片团簇膜的SEM图；图8为1mol/LNa2S反应液水热制备的TiO2纳米片团簇膜的SEM图；图9为2mol/LNa2S反应液水热制备的TiO2纳米片团簇膜的SEM图；图10为3mol/LNa2S反应液水热制备的TiO2纳米片团簇膜的SEM图；图11为饱和Na2S溶液中水热制备的TiO2纳米片团簇膜在低倍数下的SEM图；图12为饱和Na2S溶液中水热制备的TiO2纳米片团簇膜在高倍数下的SEM图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。针对溶胶-凝胶法制备的二维TiO2纳米材料所采用的金属Ti醇盐在空气中极易挥发、操作困难，纳米粉容易团聚，以及碱溶液(NaOH，KOH)水热法制备的TiO2纳米材料是直径比较大的一维纳米线，本专利技术提供一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，通过简单的调节Na2S的反应液浓度可以调节TiO2纳米片的尺寸和空隙结构。具体按照如下步骤实施：步骤1、制备多孔Ti箔；首先，将厚度为0.01mm～0.06mm、纯度为99.99％的Ti箔采用去离子水和无水乙醇超声清洗3-4次后置于质量浓度为20％～25％的HCl溶液中，并在25℃～50℃水热中反应刻蚀20h～40h；然后取出刻蚀后的Ti箔用去离子水清洗多次，直到清洗液的pH接近7，并将其在60℃～80℃真空干燥箱中干燥10h～15h，获得多孔Ti箔以备后用。步骤2、制备钛酸钠纳米片团簇膜；首先配制Na2S反应液：在40ml的去离子水中加入Na2S，搅拌直至完全溶解，得到浓度为0.1mol/L～5mol/L的Na2S反应液；向50ml的聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中依次加入Na2S反应液和步骤1得到的多孔Ti箔后密封，接着将该水热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：步骤1、制备多孔Ti箔；步骤2、制备钛酸钠纳米片团簇膜；步骤3、制备TiO2纳米片团簇膜。

【技术特征摘要】
1.一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：步骤1、制备多孔Ti箔；步骤2、制备钛酸钠纳米片团簇膜；步骤3、制备TiO2纳米片团簇膜。2.如权利要求1所述的一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，其特征在于，步骤1的具体过程如下：将清洗后的Ti箔置于HCl溶液中进行反应刻蚀，然后取出刻蚀后的Ti箔，并依次进行清洗、干燥，获得多孔Ti箔。3.如权利要求2所述的一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，其特征在于，步骤1中，所述HCl溶液的质量浓度为20％～25％。4.如权利要求2所述的一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，其特征在于，步骤1中，所述刻蚀温度为25℃～50℃，刻蚀时间为20h～40h。5.如权利要求2所述的一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，其特征在于，步骤1中，经刻蚀后的Ti箔用去离子水清洗多次，直至清洗液的pH值为7，接着在60℃～80℃真空环境下干燥10h～15h，获得多孔Ti箔。6.如权利要求1所述的一种TiO2纳米片团簇膜的原位制备方法，其特征在于，步骤2的具体过程如下：向水热反应釜中依次加入Na2S反应液和步骤1得到的多孔Ti箔后密封，接着将水热反应釜置于温度为180℃～220℃的鼓风烘箱中水热反应12h...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓建平，方俊飞，袁兆林，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61