一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于材料制备技术领域，公开了一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、制备二氧化钛纳米管材料：步骤2、将铂纳米粒子修饰在二氧化钛纳米管的内壁、管端及外壁上；步骤3、制备上转换纳米粒子材料；步骤4、将上转换纳米粒子修饰在经铂纳米粒子修饰的二氧化钛纳米复合材料上；本发明专利技术的方法操作简便，可控性强，耗时较短；通过对二氧化钛纳米管进行修饰改性，使TiO2的禁带宽度变窄，拓宽TiO2的光谱响应范围，另外修饰的纳米粒子在光的照射下可以促进半导体的电子空穴对分离，增加光生载流子的寿命，增强光催化剂的催化活性。

A Near Infrared Photoresponsive Nano-Titanium Dioxide Composite and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料及其制备方法
本专利技术属于材料制备
，具体涉及一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料及其制备方法。
技术介绍
21世纪，全球正面临环境污染和能源危机的严峻挑战。而且，空气环境恶化、化工业废水处理不当、地下水被污染导致水质下降等环境污染问题日益严重，对人类的生活产生了诸多不良影响。近年来，光催化技术迅速发展，其光催化特性可以有效地氧化分解有机物、还原重金属离子、杀菌和消除异味等，用于太阳能降解和矿化环境中的污染物，降解废水、饮用水的深度处理，灭菌消毒等诸多方面，具有低成本、环境友好等优点，是一种既能缓解能源危机又能有效防治环境污染的方法。TiO2纳米材料是一种常见的光催化剂，但是，TiO2纳米材料一直以来受到禁带宽度的限制，只能通过吸收紫外光进行光催化，而太阳光中的紫外光能量仅为总能的4％左右。因此在太阳光的照射下，只能产生有限的电子空穴对，能量转换的低效率严重限制了TiO2纳米材料的发展。因此，人们越来越重视对纳米二氧化钛改性来扩大光谱响应范围以及提高其光催化活性。而近红外光能量在太阳光总能占比大，且近红外光具有很强的穿透能力，可以穿过玻璃、塑料以及人体组织，这对处理环境污染和抗菌消毒都是很好的选择。基于上述内容，对所设计的纳米二氧化钛材料进行修饰改性扩大光谱响应范围以及提高光催化性能，是目前亟待解决的问题。
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，提供一种近红外光响应的，具有良好光催化性能的二氧化钛纳米复合材料及其制备方法，技术方案如下：一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料，所述复合材料是上转换纳米粒子和铂纳米粒子共同修饰的二氧化钛纳米管材料，铂纳米粒子附着在二氧化钛纳米管的内壁、管端及外壁上，上转换纳米粒子附着在二氧化钛纳米管的外壁及管端上。所述二氧化钛纳米管材料为生长在基底上的有间距的二氧化钛纳米管，二氧化钛纳米管为等径圆柱管，其管径为240～260nm，长度为3～5μm，二氧化钛纳米管之间的间距为300～400nm。所述上转换纳米粒子为NaYF4:Yb/Er上转换纳米粒子。前述的一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、制备二氧化钛纳米管材料：步骤1.1、以纯钛片为阳极，铂片为阴极，电解液由NH4F、去离子水以及二缩三乙二醇组成，其中，NH4F、去离子水以及二缩三乙二醇的含量按摩尔比为(0.3～0.5)：(3～5)：(94～96)，在维持电解液温度为60～90℃的条件下，施加恒电压30～60V电解0.5～2h，在阳极上生成二氧化钛纳米管；步骤1.2、将纯钛片上生成的二氧化钛纳米管清洗并吹干后，将二氧化钛纳米管进行煅烧，煅烧的温度为500～550℃，煅烧时间为1～2h，使其转变为锐钛矿与金红石混合晶型的二氧化钛纳米管；步骤2、将铂纳米粒子修饰在二氧化钛纳米管的内壁、管端及外壁上；步骤3、制备上转换纳米粒子材料；步骤4、将上转换纳米粒子修饰在经铂纳米粒子修饰的二氧化钛纳米复合材料上。在进行阳极氧化制备二氧化钛纳米管之前，将纯钛片分别依次用异丙醇、乙醇以及去离子水进行超声处理15～30min，晾干备用。所述步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1、将二氧化钛纳米管置于5～20mmol/L的氯铂酸溶液中，得到混合物A；步骤2.2、将混合物A置于光化学反应仪中，在汞灯下照射45～60min后，用去离子水清洗，经N2吹干后得到铂纳米粒子修饰的二氧化钛纳米管。所述步骤3具体包括以下步骤：步骤3.1、将NaOH、油酸以及乙醇混合，剧烈搅拌至白色粘稠状，得到混合物B；步骤3.2、向混合物B中加入0.58～0.60mmol/L的NaF溶液搅拌至溶液澄清，得到混合物C；步骤3.3、向混合物C中加入稀土硝酸盐溶液，反应20min后，得到混合物D，将混合物D转移至聚四氟乙烯的反应釜中，并将其置于烘箱中以130～230℃反应12～24h，收集聚四氟乙烯反应釜底部的上转换纳米粒子，用乙醇离心清洗直至无过多油酸残留后，溶于己烷溶液中稀释，得到1～10mg/L的上转换纳米粒子。所述步骤4具体包括以下步骤：步骤4.1、用电钻在经铂纳米粒子修饰的二氧化钛纳米管材料的表面挖出一个开口面积7-12mm2的凹陷；步骤4.2、将上转换纳米粒子滴在凹陷中，溶液扩散至凹陷外的纳米管周围，通过溶剂蒸发法将上转换纳米粒子修饰在二氧化钛纳米管的外壁以及管端；步骤4.3、将步骤4.2制备的二氧化钛纳米复合材料在500～550℃煅烧1～2h，得到二氧化钛纳米复合材料。所述步骤3.1中NaOH、油酸以及乙醇的含量按质量比为(2～3)：(24～25)：(37～37.5)。所述步骤3.3中所用的稀土硝酸盐的组分包括0.80～1.00mol/L的Y(NO3)3、0.63～0.65mol/L的Yb(NO3)3以及0.40～0.45mol/L的Er(NO3)3，其余为水。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术的方法操作简便，可控性强，耗时较短；2、本专利技术通过对二氧化钛纳米管进行修饰改性，铂纳米颗粒由于其电子从sp带到sp-导带(SPR吸收)的带内跃迁以及电子从d带到导带的带间跃迁，铂纳米颗粒在可见光区有吸收，另一方面，铂是贵金属，其与半导体TiO2接触时，电子会从费米能级高的半导体向费米能级低的金属转移直到二者费米能级相同，这样在禁带中引入了一个新的能级，从而使TiO2的禁带宽度变窄，拓宽TiO2的光谱响应范围，另外修饰的纳米粒子在光的照射下可以促进半导体的电子空穴对分离，增加光生载流子的寿命，增强光催化剂的催化活性。附图说明图1为实施例1和实施例2制备的材料的扫描电镜图。图2为实施例1制备的材料的XRD谱图。图3为实施例1制备的材料的紫外可见漫反射光谱图。图4为实施例1制备的材料的荧光光谱图。具体实施方式实施例1本专利技术提供了一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料，是上转换纳米粒子和铂纳米粒子共同修饰的二氧化钛纳米管材料，二氧化钛纳米管材料为生长在基底上的有间距的二氧化钛纳米管，二氧化钛纳米管为等径圆柱管，其管径为240～260nm，长度为3～5μm，二氧化钛纳米管之间的间距为300～400nm；铂纳米粒子附着在二氧化钛纳米管的内壁、管端及外壁上，上转换纳米粒子附着在二氧化钛纳米管的外壁及管端上。上转换纳米粒子为NaYF4:Yb/Er上转换纳米粒子，也可以为其他上转换纳米粒子。前述的一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、制备二氧化钛纳米管材料：步骤1.1、在进行阳极氧化制备二氧化钛纳米管之前，将纯钛片分别依次用异丙醇、乙醇以及去离子水进行超声处理20min，晾干备用。以纯钛片为阳极，铂片为阴极，电解液由NH4F、去离子水以及二缩三乙二醇组成，其中，NH4F、去离子水以及二缩三乙二醇的含量按摩尔比为0.3：3：94，在维持电解液温度为90℃的条件下，施加恒电压60V电解30min，在阳极上生成二氧化钛纳米管；步骤1.2、将纯钛片上生成的二氧化钛纳米管清洗并吹干后，将二氧化钛纳米管进行煅烧，煅烧的温度为550℃，煅烧时间为2h，使其转变为锐钛矿与金红石混合晶型的二氧化钛纳米管；步骤2、将铂纳米粒子修饰在二氧化钛纳米管的内壁、管端及外壁上；步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料，其特征在于，所述复合材料是上转换纳米粒子和铂纳米粒子共同修饰的二氧化钛纳米管材料，铂纳米粒子附着在二氧化钛纳米管的内壁、管端及外壁上，上转换纳米粒子附着在二氧化钛纳米管的外壁及管端上。

【技术特征摘要】
1.一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料，其特征在于，所述复合材料是上转换纳米粒子和铂纳米粒子共同修饰的二氧化钛纳米管材料，铂纳米粒子附着在二氧化钛纳米管的内壁、管端及外壁上，上转换纳米粒子附着在二氧化钛纳米管的外壁及管端上。2.根据权利要求1所述的一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料，其特征在于，所述二氧化钛纳米管材料为生长在基底上的有间距的二氧化钛纳米管，二氧化钛纳米管为等径圆柱管，其管径为240～260nm，长度为3～5μm，二氧化钛纳米管之间的间距为300～400nm。3.根据权利要求1所述的一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料，其特征在于，所述上转换纳米粒子为NaYF4:Yb/Er上转换纳米粒子。4.权利要求1～3任意一项所述的一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、制备二氧化钛纳米管材料：步骤1.1、以纯钛片为阳极，铂片为阴极，电解液由NH4F、去离子水以及二缩三乙二醇组成，其中，NH4F、去离子水以及二缩三乙二醇的含量按摩尔比为(0.3～0.5)：(3～5)：(94～96)，在维持电解液温度为60～90℃的条件下，施加恒电压30～60V电解0.5～2h，在阳极上生成二氧化钛纳米管；步骤1.2、将纯钛片上生成的二氧化钛纳米管清洗并吹干后，将二氧化钛纳米管进行煅烧，煅烧的温度为500～550℃，煅烧时间为1～2h，使其转变为锐钛矿与金红石混合晶型的二氧化钛纳米管；步骤2、将铂纳米粒子修饰在二氧化钛纳米管的内壁、管端及外壁上；步骤3、制备上转换纳米粒子材料；步骤4、将上转换纳米粒子修饰在经铂纳米粒子修饰的二氧化钛纳米复合材料上。5.根据权利要求4所述的一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于，在进行阳极氧化制备二氧化钛纳米管之前，将纯钛片分别依次用异丙醇、乙醇以及去离子水进行超声处理15～30min，晾干备用。6.根据权利要求4所述的一种近红外光响应型纳米二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：步骤2....

【专利技术属性】
技术研发人员：宋焱焱，高志达，徐悦，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21