一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管及其制备方法技术

本发明专利技术属于纳米材料领域，具体涉及一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维‑纳米管，包括呈蜂窝状的二氧化钛纳米管，所述二氧化钛纳米管表面均匀包覆着二氧化钛纳米纤维。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术所制备的二氧化钛纳米纤维/纳米管结构具有大量的孔道结构(管径100‑150纳米，管长5‑10微米)利于收集反应介质和传输电子，使其具有优良的光电性质。2、本发明专利技术所制备的二氧化钛纳米纤维‑纳米管在可见光照射下，其产生的光电流至少为单纯的二氧化钛纳米管所产生的三倍，其生成光电流到光电流稳定的反应时间为1‑2s，远小于纯二氧化钛纳米管的20s。

A titanium dioxide nanofiber nanotube with graded structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管及其制备方法
本专利技术属于纳米材料领域，具体涉及一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管及其制备方法。
技术介绍
与能源和环境问题相关的材料制备及应用，是功能材料研究领域中的一个重大主题。作为经典的半导体光电材料，二氧化钛纳米材料因为具有形貌丰富可控、比表面积巨大、光能俘获效率高、能够有效促进光生载流子的分离和传递等特点，导致其在光能俘获、电荷分离、与介质接触等方面具有极大优势，所以在污染治理、能源利用等领域被寄予厚望。因为材料的微观结构对材料的性能会产生极其重要的影响，因此合成具有优良性能的二氧化钛材料从而扩大该材料器件的应用领域和范围成为研究的热点。近年来，因为低维度材料构成的分级结构因为在材料的光、电及化学性能等方面表现优异，因此，在低成本下开发出制备工艺简单、比表面积高、稳定度好的二氧化钛纳米分级结构材料是目前亟待解决的问题。近年来，用一些传统的制备方法可获得各种不同的二氧化钛纳米分级结构，如利用模板法制备二氧化钛纳米空心球分级结构[1]、利用阳极电镀技术制备二氧化钛纳米分支纳米管阵列[2]、溶剂热法制备二氧化钛纳米纤维状分级材料[3]，锌卟啉改性法制备二氧化钛纳米叶状分级结构[4]。虽然目前已经制备出多种分级结构，对二氧化钛纳米材料的性能产生了较为显著的优化作用，但是研究现状存在种种不足，如反应过程比较复杂、设备要求较高、产物分级结构稳定性低等，这些不足直接导致已有工艺只能停留在实验室阶段，极大地限制了其推广和应用。[1]J.G.Yu,W.Liu,H.G.Yu.AOne-potapproachtohierarchicallynanoporousTitaniahollowmicrosphereswithhighphotocatalyticactivity.CrystalGrowth&Design,2008,8:930-934.[2]B.Chen,K.Lu.HierarchicallybranchedTitaniananotubeswithtailoreddiametersandbranchnumbers.Langmuir2012,28:2937-2943.[3]P.Si,S.J.Ding,J.Yuan,Hierarchicallystructuredone-dimensionalTiO2forproteinimmobilization,directelectrochemistry,andmediator-freeglucosesensing.ACSNano,2011,5:7617-7626.[4]C.Yang,Z.M.Yang,H.W.Gu,Facet-selective2Dself-assemblyofTiO2nanoleavesviasupramolecularinteractions.ChemistryofMaterials,2008,20:7514-7520.
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种具有分级结构的二氧化钛钛纳米纤维-纳米管及其制备方法，整体制备工艺简单、成本低、制备出的二氧化钛钛纳米纤维-纳米管比表面积高、稳定度好。本专利技术提供了一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管，包括呈蜂窝状的二氧化钛纳米管，所述二氧化钛纳米管表面均匀包覆着二氧化钛纳米纤维。优选的，所述二氧化钛纳米管的管径为100-150纳米，管长5-10微米，所述二氧化钛纳米纤维的厚度在5-20纳米。本专利技术还提供了一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管的制备方法，包括如下步骤，S1、对钛片进行氧化抛光；S2、配制电解液；S3、将氧化抛光后的钛片作为阳极，铂片作为反应阴极，在S2配制的电解液中进行电解反应，电解反应完成后，辅以超声洗净钛片表面残留的电解液，烘干得到二氧化钛纳米管基片；S4、在密闭容器中加入氢氟酸，将S3中得到的二氧化钛纳米管基片置于密闭容器内且位于氢氟酸液面以上进行气相水热反应，反应完成后将基片取出，洗净基片表面残留的溶液，烘干得到二氧化钛纳米纤维-纳米管。优选的，所述S1的具体步骤为将钛片置于酸性抛光液中抛光10-30s，待其反应完成后，浸入去离子水中5-20s，然后超声清洗至钛片表面呈均匀银白色哑光面。优选的，所述酸性抛光液为氢氟酸、硝酸、水按照体积比为1:1:2—1:4:5均匀混合而成。优选的，所述S2的具体步骤为将氟化铵溶于去离子水中，在磁力搅拌条件下倒入乙二醇，所述氟化铵、去离子水、乙二醇按照比例配制，在20-30℃下继续搅拌10-20min，直至无任何不可溶物，得到氟化铵浓度为0.1-0.2mol/L的电解液。优选的，所述S3的具体步骤为将S2得到的电解液倒入电解池中，利用铂片或铂丝电极作为阴极，抛光后的钛片作为阳极，在40-60V电压、20-30℃下反应1-4h，反应完成后将样品依次放入去离子水、无水乙醇中清洗2-3次，最后在50-70℃下干燥0.5-3h，得到二氧化钛纳米管基片。优选的，所述S4的具体步骤为在聚四氟乙烯反应釜中加入质量浓度为1％-3％氢氟酸水溶液，将S3中得到的二氧化钛纳米管基片置于聚四氟乙烯材质的支架顶部，然后将支架放入反应釜中使得二氧化钛纳米管基片位于氢氟酸液面以上，在150-160℃下，反应1-4h，将反应后的基片取出，使用去离子水洗净基片表面残留的溶液，在40-60℃下干燥0.5-3h，得到二氧化钛纳米纤维-纳米管。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术所制备的二氧化钛纳米纤维/纳米管结构具有大量的孔道结构(管径100-150纳米，管长5-10微米)利于收集反应介质和传输电子，使其具有优良的光电性质。2、本专利技术所制备的二氧化钛纳米纤维-纳米管在可见光照射下，其产生的光电流至少为单纯的二氧化钛纳米管所产生的三倍，其生成光电流到光电流稳定的反应时间为1-2s，远小于纯二氧化钛纳米管的20s。3、本专利技术通过将适量浓度的氢氟酸水溶液和二氧化钛纳米管基片通过合适的距离隔开，利用氢氟酸体系的气相水热法，待氢氟酸蒸汽与二氧化钛基片温和反应适当时间，就可以在均匀平整的二氧化钛纳米管阵列基底上形成纳米纤维—纳米管状的分级纳米结构，不但继承了传统水热法的简易低成本，而且比起传统水热法更温且可控重复性更高。这是因为气相水热条件下溶蚀和结构的形成是高度局部化的，所以相比传统水热法，基片能够在气氛中形成更加细微的结构。4、降解90％的甲基橙，使用现有技术制备的纯二氧化钛管需要75min，而使用本专利技术制备的纳米纤维-纳米管复合结构只需要48min，由此可见，本专利技术的二氧化钛纳米纤维-纳米管在光催化降解方面的性能大大优于纯二氧化钛纳米管。附图说明图1是具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管扫描电镜图，图中a为二氧化钛纳米管基片未进行水热反应的扫描电镜图，b为水热反应的1h的扫描电镜图，c为水热反应的2h的扫描电镜图，d为水热反应的4h的扫描电镜图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管，其特征在于，包括呈蜂窝状的二氧化钛纳米管，所述二氧化钛纳米管表面均匀包覆着二氧化钛纳米纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管，其特征在于，包括呈蜂窝状的二氧化钛纳米管，所述二氧化钛纳米管表面均匀包覆着二氧化钛纳米纤维。


2.根据权利要求1所述的一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管，其特征在于，所述二氧化钛纳米管的管径为100-150纳米，管长5-10微米，所述二氧化钛纳米纤维的厚度在5-20纳米。


3.一种如权利要求1或2所述具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
S1、对钛片进行氧化抛光；
S2、配制电解液；
S3、将氧化抛光后的钛片作为阳极，铂片作为反应阴极，在S2配制的电解液中进行电解反应，电解反应完成后，辅以超声洗净钛片表面残留的电解液，烘干得到二氧化钛纳米管基片；
S4、在密闭容器中加入氢氟酸，将S3中得到的二氧化钛纳米管基片置于密闭容器内且位于氢氟酸液面以上进行气相水热反应，反应完成后将基片取出，洗净基片表面残留的溶液，烘干得到二氧化钛纳米纤维-纳米管。


4.根据权利要求3所述的一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管的制备方法，其特征在于，所述S1的具体步骤为将钛片置于酸性抛光液中抛光10-30s，待其反应完成后，浸入去离子水中5-20s，然后超声清洗至钛片表面呈均匀银白色哑光面。


5.根据权利要求3所述的一种具有分级结构的二氧化钛纳米纤维-纳米管的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李自亮，张苗，王艳芬，余海，孙兆奇，何刚，杨蕾，吕建国，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34