專利名稱：一種快速制備氧化鈦納米管單管粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種電化學(xué)和超聲分散技術(shù)相結(jié)合快速制備具有納米結(jié)構(gòu)粉體的方 法，具體涉及一種在高氯酸水溶液中快速陽極氧化制備氧化鈦納米管束，經(jīng)超聲分散得到 氧化鈦納米管單管粉體的方法。
背景技術(shù)：
一維(1-D)半導(dǎo)體納米材料，尤其是納米管狀結(jié)構(gòu)，近年來由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和 性質(zhì)引起了世界范圍的關(guān)注和廣泛研究。氧化鈦?zhàn)鳛橐环N寬禁帶半導(dǎo)體，具高催化活性、低 成本、良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍非常廣泛。同時(shí)它也是一種對人類和環(huán) 境友好、無毒無污染的環(huán)保型材料，原料豐富，成本低廉。相對于常規(guī)的固體材料，具有1-D 結(jié)構(gòu)的氧化鈦納米管已經(jīng)展現(xiàn)出較高的光催化活性和光電轉(zhuǎn)換效率，而這些性質(zhì)主要是由 量子效應(yīng)和其巨大的比表面引起的。因此，近年來多種方法被報(bào)道用來制備氧化鈦納米管， 這些方法包括直接氧化金屬鈦片法、模板生長法、水熱法、自組裝法以及溶膠_凝膠法等。在這些制備方法中，直接陽極氧化金屬鈦片制備氧化鈦納米管，已經(jīng)成為較為成 熟的一種方法。然而，常規(guī)的陽極氧化法制備氧化鈦納米管主要是在含氟的有機(jī)電解液中 讓金屬鈦片表面緩慢的氧化為一層氧化鈦納米管陣列，制備得到納米管往往成管束狀，而 且反應(yīng)過程通常要消耗數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天以上。其管束的團(tuán)聚和制備的低效率成為其在光催 化、光電器件、生物材料等方面應(yīng)用的負(fù)面因數(shù)。采用電化學(xué)和超聲分散技術(shù)相結(jié)合快速制備的氧化鈦納米管單管粉體，在眾多技 術(shù)領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用和研究價(jià)值，尤其是在光催化，多相催化，太陽能光伏電池，氣體傳 感器，光子晶體和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容在于提供一種采用電化學(xué)和超聲分散技術(shù)相結(jié)合快速制備氧化鈦 納米管單管粉體的方法，該方法具有生產(chǎn)效率高、合成成本低、工藝要求簡單、而且重復(fù)性 好和可大規(guī)模制造等優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的制備方法為1)將高氯酸溶解于去離子水中制成高氯酸濃度為0. 15 0. 5mol/L的電解液；2)將金屬鈦片依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗取出自然晾干待 用；3)再將清洗后的鈦片夾持固定作為陽極，鉬電極與其平行放置作為陰極，組成電 極系統(tǒng)，陰極與陽極間的距離為2. 5cm ；4)將步驟3)裝配好的電極系統(tǒng)浸入步驟1)的電解液中，以直流恒壓源作為電源， 開路電壓直接從0V調(diào)整至20 60V，反應(yīng)溫度控制在25 55°C，金屬鈦片被徹底陽極氧 化得到氧化鈦納米管束的白色懸濁液；5)將得到的氧化鈦管束白色懸濁液過濾，去掉鈦殘片，經(jīng)高速離心分離電解液得到氧化鈦納米管束，然后加入去離子水超聲清洗并再次離心分離，將分離出的氧化鈦納米 管束粉體在70 100°C烘干得到白色氧化鈦納米管束粉體；6)取3 5g步驟5)得到的氧化鈦納米管束粉體加入到50ml無水乙醇中，超聲振 蕩20 40分鐘，70°C烘干去除無水乙醇后得到白色氧化鈦納米管單管粉體。本發(fā)明是一種快速陽極氧化制備氧化鈦納米管粉體的方法，采用電化學(xué)方法將金 屬鈦片在高氯酸水溶液中一步快速陽極氧化為氧化鈦納米管束，然后采用超聲分散技術(shù)裂 解氧化鈦納米管束得到氧化鈦納米管單管粉體。所制備的氧化鈦納米管單管粉體具有多分 散性和超細(xì)管徑的特點(diǎn)。在光催化和太陽能光伏器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。


圖1和圖2是本發(fā)明所制備的氧化鈦納米管粉束和氧化鈦納米管單管粉體的掃描 電子顯微鏡圖；圖3和圖4是本發(fā)明所制備的氧化鈦納米管粉束和氧化鈦納米管單管粉體的透射 電子顯微鏡圖；圖5是氧化鈦納米管粉束和氧化鈦納米管單管粉體激光動(dòng)態(tài)散射等效粒徑分布 對比圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1 :1)將高氯酸溶解于去離子水中制成高氯酸濃度為0. 2mol/L的電解液；2)將金屬鈦片依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗取出自然晾干待 用；3)再將清洗后的鈦片夾持固定作為陽極，鉬電極與其平行放置作為陰極，組成電 極系統(tǒng)，陰極與陽極間的距離為2. 5cm ；4)將步驟3)裝配好的電極系統(tǒng)浸入步驟1)的電解液中，以直流恒壓源作為電源， 開路電壓直接從0V調(diào)整至20V，反應(yīng)溫度控制在25V，金屬鈦片被徹底陽極氧化得到氧化 鈦納米管束的白色懸濁液；5)將得到的氧化鈦管束白色懸濁液過濾，去掉鈦殘片，經(jīng)高速離心分離電解液得 到氧化鈦納米管束，然后加入去離子水超聲清洗并再次離心分離，將分離出的氧化鈦納米 管束粉體在70°C烘干得到白色氧化鈦納米管束粉體；6)取3g步驟5)得到的氧化鈦納米管束粉體加入到50ml無水乙醇中，超聲振蕩 20分鐘，70°C烘干去除無水乙醇后得到白色氧化鈦納米管單管粉體。實(shí)施例2 1)將高氯酸溶解于去離子水中制成高氯酸濃度為0. 5mol/L的電解液；2)將金屬鈦片依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗取出自然晾干待 用；3)再將清洗后的鈦片夾持固定作為陽極，鉬電極與其平行放置作為陰極，組成電 極系統(tǒng)，陰極與陽極間的距離為2. 5cm ；4)將步驟3)裝配好的電極系統(tǒng)浸入步驟1)的電解液中，以直流恒壓源作為電源， 開路電壓直接從0V調(diào)整至40V，反應(yīng)溫度控制在40°C，金屬鈦片被徹底陽極氧化得到氧化鈦納米管束的白色懸濁液；5)將得到的氧化鈦管束白色懸濁液過濾，去掉鈦殘片，經(jīng)高速離心分離電解液得 到氧化鈦納米管束，然后加入去離子水超聲清洗并再次離心分離，將分離出的氧化鈦納米 管束粉體在80°C烘干得到白色氧化鈦納米管束粉體；6)取3g步驟5)得到的氧化鈦納米管束粉體加入到50ml無水乙醇中，超聲振蕩 30分鐘，70°C烘干去除無水乙醇后得到白色氧化鈦納米管單管粉體。實(shí)施例3 1)將高氯酸溶解于去離子水中制成高氯酸濃度為0. 3mol/L的電解液；2)將金屬鈦片依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗取出自然晾干待 用；3)再將清洗后的鈦片夾持固定作為陽極，鉬電極與其平行放置作為陰極，組成電 極系統(tǒng)，陰極與陽極間的距離為2. 5cm ；4)將步驟3)裝配好的電極系統(tǒng)浸入步驟1)的電解液中，以直流恒壓源作為電源， 開路電壓直接從0V調(diào)整至60V，反應(yīng)溫度控制在30°C，金屬鈦片被徹底陽極氧化得到氧化 鈦納米管束的白色懸濁液；5)將得到的氧化鈦管束白色懸濁液過濾，去掉鈦殘片，經(jīng)高速離心分離電解液得 到氧化鈦納米管束，然后加入去離子水超聲清洗并再次離心分離，將分離出的氧化鈦納米 管束粉體在90°C烘干得到白色氧化鈦納米管束粉體；6)取4g步驟5)得到的氧化鈦納米管束粉體加入到50ml無水乙醇中，超聲振蕩 30分鐘，70°C烘干去除無水乙醇后得到白色氧化鈦納米管單管粉體。實(shí)施例4 1)將高氯酸溶解于去離子水中制成高氯酸濃度為0. 15mol/L的電解 液；2)將金屬鈦片依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗取出自然晾干待 用；3)再將清洗后的鈦片夾持固定作為陽極，鉬電極與其平行放置作為陰極，組成電 極系統(tǒng)，陰極與陽極間的距離為2. 5cm ；4)將步驟3)裝配好的電極系統(tǒng)浸入步驟1)的電解液中，以直流恒壓源作為電源， 開路電壓直接從0V調(diào)整至20V，反應(yīng)溫度控制在55°C，金屬鈦片被徹底陽極氧化得到氧化 鈦納米管束的白色懸濁液；5)將得到的氧化鈦管束白色懸濁液過濾，去掉鈦殘片，經(jīng)高速離心分離電解液得 到氧化鈦納米管束，然后加入去離子水超聲清洗并再次離心分離，將分離出的氧化鈦納米 管束粉體在100°c烘干得到白色氧化鈦納米管束粉體；6)取5g步驟5)得到的氧化鈦納米管束粉體加入到50ml無水乙醇中，超聲振蕩 40分鐘，70°C烘干去除無水乙醇后得到白色氧化鈦納米管單管粉體。實(shí)施例5 1)將高氯酸溶解于去離子水中制成高氯酸濃度為0. 5mol/L的電解液；2)將金屬鈦片依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗取出自然晾干待 用；3)再將清洗后的鈦片夾持固定作為陽極，鉬電極與其平行放置作為陰極，組成電 極系統(tǒng)，陰極與陽極間的距離為2. 5cm ；4)將步驟3)裝配好的電極系統(tǒng)浸入步驟1)的電解液中，以直流恒壓源作為電源，開路電壓直接從0V調(diào)整至50V，反應(yīng)溫度控制在25°C，金屬鈦片被徹底陽極氧化得到氧化 鈦納米管束的白色懸濁液；5)將得到的氧化鈦管束白色懸濁液過濾，去掉鈦殘片，經(jīng)高速離心分離電解液得 到氧化鈦納米管束，然后加入去離子水超聲清洗并再次離心分離，將分離出的氧化鈦納米 管束粉體在100°C烘干得到白色氧化鈦納米管束粉體；6)取3g步驟5)得到的氧化鈦納米管束粉體加入到50ml無水乙醇中，超聲振蕩 30分鐘，70°C烘干去除無水乙醇后得到白色氧化鈦納米管單管粉體。圖1為實(shí)例1中步驟5)所得氧化鈦納米管束在掃描電子顯微鏡中觀察到的形貌， 可以看到采用快速陽極氧化得到的氧化鈦納米管規(guī)整排列呈管束狀，納米管的外徑大約為 20nm,長度達(dá)數(shù)微米，具有很高的長徑比。數(shù)百根氧化鈦納米管束相互排列在一起，形成氧 化鈦納米管束粉體。圖2為實(shí)例1中步驟6)得到的氧化鈦納米管單管粉體在掃描電子顯微鏡中觀察 到的形貌，可以看到氧化鈦納米管呈單管狀自由分布，長度下降為幾百個(gè)納米以內(nèi)，說明超 聲波成功地對氧化鈦納米管束進(jìn)行了裂解和剪切。圖3為實(shí)例4中步驟5)所得氧化鈦納米管束在透射電子顯微鏡中觀察到的結(jié)構(gòu) 圖，可以看到數(shù)百根氧化鈦納米管有序的排列在一起形成氧化鈦納米管束，長度約為2. 5 微米，右下角插圖為選區(qū)電子衍射圖，說明氧化鈦納米管束為無定形態(tài)。圖4為實(shí)例4中步驟6)所得氧化鈦納米管單管粉體在透射電子顯微鏡中觀察到 的結(jié)構(gòu)圖，可以看到中空的氧化鈦納米管單管無序分布在畫面中，右下角插圖為高倍透射 電鏡圖，結(jié)果表明氧化鈦納米管單管直徑約為20nm，內(nèi)徑約為lOnm，管壁厚度約5nm，納米 管內(nèi)外表面光滑。圖5為實(shí)例4中生長的氧化鈦納米管束和氧化鈦納米管單管粉體的激光動(dòng)態(tài)散射 等效粒徑分布對比圖，可以看到氧化鈦納米管束粒徑分布在105 2000nm之間，氧化鈦納 米管單管粉體粒徑分布在20 200nm之間，結(jié)果說明氧化鈦納米管束被超聲波裂解為具有 多分散性的氧化鈦納米管單管粉體。綜上所述，本發(fā)明的材料不但具有多分散性和超細(xì)管徑、超薄管壁的特點(diǎn)，而且可 以在一個(gè)相對寬泛的工藝條件下合成制備。
權(quán)利要求
一種快速制備氧化鈦納米管單管粉體的方法，其特征在于1)將高氯酸溶解于去離子水中制成高氯酸濃度為0.15～0.5mol/L的電解液；2)將金屬鈦片依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗取出自然晾干待用；3)再將清洗后的鈦片夾持固定作為陽極，鉑電極與其平行放置作為陰極，組成電極系統(tǒng)，陰極與陽極間的距離為2.5cm；4)將步驟3)裝配好的電極系統(tǒng)浸入步驟1)的電解液中，以直流恒壓源作為電源，開路電壓直接從0V調(diào)整至20～60V，反應(yīng)溫度控制在25～55℃，金屬鈦片被徹底陽極氧化得到氧化鈦納米管束的白色懸濁液；5)將得到的氧化鈦管束白色懸濁液過濾，去掉鈦殘片，經(jīng)高速離心分離電解液得到氧化鈦納米管束，然后加入去離子水超聲清洗并再次離心分離，將分離出的氧化鈦納米管束粉體在70～100℃烘干得到白色氧化鈦納米管束粉體；6)取3～5g步驟5)得到的氧化鈦納米管束粉體加入到50ml無水乙醇中，超聲振蕩20～40分鐘，70℃烘干去除無水乙醇后得到白色氧化鈦納米管單管粉體。
全文摘要
一種快速制備氧化鈦納米管單管粉體的方法，采用快速陽極法直接氧化金屬鈦片制備氧化鈦納米管束粉體，經(jīng)超聲分散后得到氧化鈦納米管單管粉體。首先，利用電化學(xué)方法將金屬鈦片在高氯酸水溶液中一步氧化為氧化鈦納米管束，然后采用超聲分散技術(shù)裂解氧化鈦納米管束，即可得到成本低廉、工藝要求簡單、重復(fù)性好、可大規(guī)模制造且具有多分散性和超細(xì)管徑的氧化鈦納米管單管粉體。
文檔編號(hào)B01J19/10GK101928975SQ20101026938
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者廖宇龍, 闕文修 申請人:西安交通大學(xué)