一种二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：S1.将钛基底进行抛光处理，将抛光后的钛基底与强碱溶液进行水热反应，得到水热处理的钛基底；S2.将步骤S1.中水热处理的钛基底洗涤后置于酸溶液中进行离子交换，得到复合材料前驱体；S3.将步骤S2.中复合材料前驱体洗涤、干燥、煅烧，得到所述二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料。本发明专利技术将钛基底和强碱溶液通过水热反应在金属钛基底上原位生长锐钛矿型二氧化钛大孔微球，制得的复合材料具有结构稳定、比表面积大、结晶度高、粒径分布窄等优点，具有优异的光电化学性能和出色的稳定性。而且，该方法成本低、易操作，效率提升效果好，具有较大的应用前景。

A titanium dioxide macroporous microspheres / titanium metal composite and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及微纳米材料
，更具体地，涉及一种二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
二氧化钛具有许多优点，例如有利的带边缘位置，低成本，无毒，优异的化学和光学稳定性，它是近几十年来研究最广泛的半导体材料之一，在光催化、光伏和锂电池领域具有广阔的应用前景。自从在光电化学(PEC)中分解水以产生清洁的氢能的发现以来，二氧化钛已作为光阳极材料得到了广泛的研究。在二氧化钛的三种最常见的多晶形式(锐钛矿，板钛矿和金红石)中，锐钛矿被认为是光化学水分解中最光活化的相，它的光生载流子复合率很低。因为在各种形态中的相对较高的折射率、界面附着力高和良好的粒度，亚微米或微米直径的二氧化钛微球已经引起了广泛关注。在封闭的纳米尺度区间内，由于较短的扩散路径和较高的表面积，微球上的大孔的存在可以增强光的捕获，确保快速的质量扩散，从而产生光催化性能高。通常，二氧化钛球的合成的一般步骤包括使用有机钛源，以及软模板或硬模板等，方法较为复杂。如中国专利申请CN104383903A公开了一种二氧化钛微球光催化剂的制备方法，将氟钛酸铵加入去离子水或乙醇中，再加入硼酸，然后加入聚合物模板剂，静置后得到析出物，经煅烧得到二氧化钛微球。该方法制得的二氧化钛微球为粉末光催化剂，用于制备光电极时还需要进一步操作。现有技术未见能够在光电极的基底上原位生长锐钛矿型二氧化钛微球的方法。因此，需要研发出能够在基底上原位生长锐钛矿型二氧化钛微球的方法。r>
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料的制备方法，提供的制备方法能够在金属钛基底上原位生长锐钛矿型二氧化钛大孔微球，从而制备得到二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料，该复合材料具有优异的光电化学性能和出色的稳定性。本专利技术的另一目的在于提供上述制备方法制得的二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料。本专利技术的又一目的在于提供上述二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料在制备太阳能电池光阳极或用于降解有机污染物的光电催化电极中的应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1.将钛基底进行抛光处理，将抛光后的钛基底与强碱溶液进行水热反应，得到水热处理的钛基底；强碱溶液中氢氧根离子的浓度为5～7mol/L；水热反应的温度为200～220℃，时间为24～48h；S2.将步骤S1.中水热处理的钛基底洗涤后置于酸溶液中进行离子交换，得到复合材料前驱体；S3.将步骤S2.中复合材料前驱体洗涤、干燥、煅烧，得到所述二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料。反应机理：钛基底与强碱水热生成钛酸盐；该钛酸盐置于酸溶液中进行离子交换生成H2Ti3O7；H2Ti3O7煅烧生成二氧化钛。本申请将钛基底和强碱溶液通过水热反应，并控制强碱溶液中氢氧根离子的浓度、水热反应的温度和时间，成功实现在在金属钛基底上原位生长锐钛矿型二氧化钛大孔微球，从而制备得到二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料。新的3dTiO2大孔微球由于在从平行到垂直于入射光子的所有方向上生长而显示出高的光电化学性质。最重要的是，球形颗粒为固体催化剂的再利用提供了理想的形式。与二氧化钛粉末光催化剂相比，原位生长的二氧化钛大孔微球可以用作太阳能电池的光电极和降解污染物的可回收光催化剂。专利技术人研究发现，将金属钛基底与一定体积的强碱溶液进行水热反应时，强碱溶液中氢氧根离子的浓度非常关键：氢氧根离子的浓度低于5mol/L时，强碱溶液浓度过低，无法在钛基底上生长二氧化钛大孔微球；氢氧根离子的浓度高于7mol/L时，强碱溶液的浓度过高，导致钛基底上生长的二氧化钛大孔微球太多，钛基底上的二氧化钛层太厚，使复合材料的光电化学性能下降。而且，水热反应的温度和时间也十分重要。水热反应在200～220℃温度下进行时，水热反应时间不能过短，如果少于24h，将无法得到在钛基底上生长的二氧化钛大孔微球；另一方面，水热反应时间不能过长，如果反应时间大于48h，复合材料的光电化学性能将下降。上述制备方法制得的复合材料中，二氧化钛为具有高比表面积和多孔性的锐钛矿型二氧化钛大孔微球，微球由厚度为几纳米的超薄二氧化钛纳米片组成。制得的复合材料具有结构稳定、比表面积大、结晶度高、粒径分布窄等优点，具有优异的光电化学性能和出色的稳定性。而且，上述制备方法成本低、易操作，效率提升效果好，具有较大的应用前景。在水热反应过程中，通过简单地改变水热反应时间和反应物浓度，无需添加任何添加剂即可调节TiO2微球的比表面积和密度。所述钛基底为钛网或钛片。所述钛网的规格可根据实际需要进行调整，可选地，99.5％纯钛制成，0.1mm单线编织，100目布开放面积60％。步骤S1.中抛光处理可以为化学抛光处理。所述化学抛光处理可以为：将钛基底置于氢氟酸、硝酸和水的混合溶液中。化学抛光处理的时间可根据处理需要进行调整，例如30s。所述混合溶液由氢氟酸、硝酸和水根据体积比1∶4∶5混合得到，混合前，氢氟酸浓度为32至33mol/L，硝酸浓度为14.4至15.2mol/L。抛光处理后，一般采用无水乙醇和去离子水洗涤。所述水热反应可以采用100mL的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜进行。优选地，所述强碱为氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或几种。优选地，步骤S1.中所述强碱溶液中氢氧根离子的浓度为6mol/L。优选地，步骤S1.中水热反应的温度为210℃，时间为36h。本申请中，钛基底作为钛源。钛基底的质量与强碱溶液的体积比采用现有常规的质量体积比。例如，25mL氢氧化钠溶液中加入0.22至0.25g钛网。步骤S1.中水热反应结束后，冷却至室温。步骤S2.中洗涤可通过去离子水洗涤。优选地，步骤S2.中酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液、氢溴酸溶液或氢碘酸溶液中的一种或几种。优选地，步骤S2.中酸溶液中氢离子的浓度为1～1.5mol/L。优选地，步骤S2.中酸溶液为盐酸溶液；所述盐酸溶液的浓度为1～1.5mol/L。更优选地，步骤S2.中酸溶液为盐酸溶液；所述盐酸溶液的浓度为1mol/L。优选地，步骤S2.中离子交换的时间为2.5～4h。更优选地，步骤S2.中离子交换的时间为3h。步骤S3.中洗涤可采用去离子水冲洗；干燥可以为自然干燥。步骤S3.中煅烧在空气氛围中进行。优选地，步骤S3.中煅烧的温度为400～500℃，时间为2～4h。优选地，步骤S3.中煅烧的温度为450℃，时间为3h。优选地，步骤S3.中煅烧的升温速率为3～5℃/min。更优选地，步骤S3.中煅烧的升温速率为4℃/min。本专利技术还保护上述制备方法制得的二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料。上述二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料在制备太阳能电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1.将钛基底进行抛光处理，将抛光后的钛基底与强碱溶液进行水热反应，得到水热处理的钛基底；强碱溶液中氢氧根离子的浓度为5～7mol/L；水热反应的温度为200～220℃，时间为24～48h；/nS2.将步骤S1.中水热处理的钛基底洗涤后置于酸溶液中进行离子交换，得到复合材料前驱体；/nS3.将步骤S2.中复合材料前驱体洗涤、干燥、煅烧，得到所述二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将钛基底进行抛光处理，将抛光后的钛基底与强碱溶液进行水热反应，得到水热处理的钛基底；强碱溶液中氢氧根离子的浓度为5～7mol/L；水热反应的温度为200～220℃，时间为24～48h；
S2.将步骤S1.中水热处理的钛基底洗涤后置于酸溶液中进行离子交换，得到复合材料前驱体；
S3.将步骤S2.中复合材料前驱体洗涤、干燥、煅烧，得到所述二氧化钛大孔微球/金属钛复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1.中所述强碱溶液中氢氧根离子的浓度为6mol/L。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1.中水热反应的温度为210℃，时间为36h。

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【专利技术属性】
技术研发人员：王新，陈文彬，许元妹，张小琴，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44