一種制備銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米技術材料合成領域，尤其涉及一種制備銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列的方法。
【背景技術】
[0002]二維納米片陣列結構，是納米薄膜結構中重要的一種，其具備良好的光散射能力與光吸收能力，電荷傳輸性能也很出色，且能夠暴露大量有利于電荷分離的優勢晶面，因此在現代光電科學領域受到廣泛關注。目前制備銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列的方法主要有:化學氣相沉積法，噴霧熱解法，溶液化學法，電化學沉積法等。溶液化學法操作簡單，可調變性好，成本低，方便利用。
[0003]二氧化鈦作為一種寬帶隙半導體，具有較高的載流子遷移率和較低的功函數，強烈的紫外吸收，且物理化學性質穩定，耐酸耐堿，無嚴重毒害，成本低廉，在太陽能電池，光/電催化，傳統催化，鋰離子電池，場發射器件，生物傳感器，藥物緩釋等領域有著廣泛的應用。有人在金屬鈦片上制備了氧化鈦納米片陣列，有人在FT0導電玻璃基底上制備了二氧化鈦納米片陣列薄膜，但是金屬鈦片上制備薄膜由于金屬不透光，所以不易制備光伏電池器件；而有人制備的納米片薄膜比表面積較小，且薄膜較薄時為分散片狀，無法獲得較高的光電轉化效率；有人合成的納米片陣列雖然比表面積較大，但單個納米片是有小顆粒組成的，不利于載流子的傳輸；因此，制備具有較大比表面積的單晶納米片陣列薄膜是十分重要的，也未見報道。
【發明內容】
[0004]一種制備銳鈦礦相納米片陣列的方法，其步驟如下所述:
[0005](1)將鈦前驅體溶于有機胺絡合劑與水組成的混合溶劑，再加入乙二胺四乙酸二鈉及多羧酸鈉鹽，加熱攪拌，配成含鈦前驅體的反應液；
[0006]鈦前驅體為異丙醇鈦，鈦酸四正丁酯，四氯化鈦中的一種或二種以上。
[0007]鈦前驅體、有機胺絡合劑、水的混合摩爾比例為:1:8?24:222?2736。
[0008]加熱攪拌溫度為40?70°C,攪拌時間為15?60min。
[0009]乙二胺四乙酸二鈉于體系中的總濃度為0.13?1.21mol/L0
[0010]多羧酸鈉鹽為檸檬酸鈉、草酸鈉、鄰苯二甲酸二鈉中的一種或二種以上；
[0011]多羧酸鈉鹽于體系中的總濃度為0.1?1M。
[0012](2)將透明導電玻璃基底依次在丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水中超聲清洗并吹干，放入水熱反應爸中，向反應爸中加入鈦前驅體反應液，加熱反應，反應完成后從反應釜中取出導電玻璃基底，沖洗，吹干，得到鈦酸鈉納米片陣列薄膜；
[0013]透明導電玻璃基底為摻錫的氧化銦玻璃、摻氟的氧化錫玻璃或摻鋁的氧化鋅玻璃，超聲清洗時間為10-30min。
[0014]加熱反應溫度為180?240°C，反應時間為3?48h。
[0015](3)鈦酸鹽納米片陣列用稀酸進行陽離子交換，沖洗干凈后，得到鈦酸納米片陣列薄膜；
[0016]稀酸為經過稀釋的鹽酸或硝酸，濃度為0.1?0.6mol/L，交換時間為2?20min。
[0017](4)將鈦酸納米片陣列薄膜置于馬弗爐中焙燒，冷卻，取出后得到銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列薄膜；
[0018]焙燒溫度為350?550°C，焙燒時間為0.5?3h。
[0019]本發明所制備的銳鈦礦相納米片陣列具有比表面積大，取向一致，薄膜與基底結合牢固，操作簡單，可調控性好，有利于器件制備，適合在光電器件中應用。
【附圖說明】
[0020]圖1為實施例4中在透明導電玻璃基底上生長的鈦酸鈉納米片陣列(低倍放大圖A，高倍放大圖C)和二氧化鈦納米片陣列的SEM圖像(低倍放大圖B，高倍放大圖D)。
【具體實施方式】
[0021]為了進一步說明本發明，列舉以下實施例，但它并不限制各附加權利要求所定義的發明范圍。
[0022]實施例1
[0023]將異丙醇鈦溶于三乙醇胺與水組成的混合溶劑，異丙醇鈦、三乙醇胺、水的摩爾比為1:48:2514，乙二胺四乙酸二鈉的濃度為0.6mol/L，檸檬酸三鈉的濃度為0.4mol/L,50°C加熱攪拌15min，配成含鈦前驅體的反應液；
[0024]將摻錫的氧化銦玻璃依次在丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水中超聲清洗15min,并吹干，放入水熱反應釜中，向反應釜中加入鈦前驅體反應液，200°C加熱反應9h，反應完成后從反應釜中取出導電玻璃基底，沖洗，吹干，得到鈦酸鈉納米片陣列薄膜；
[0025]鈦酸鹽納米片陣列用0.2mol/L稀鹽酸進行陽離子交換5min，沖洗干凈后，得到鈦酸納米片陣列薄膜；
[0026]將鈦酸納米片陣列薄膜置于馬弗爐中550°C焙燒0.5h，冷卻，取出后得到銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列薄膜；
[0027]實施例2
[0028]將鈦酸四正丁酯溶于三乙醇胺與水組成的混合溶劑，異丙醇鈦、三乙醇胺、水的摩爾比為1:16:838,乙二胺四乙酸二鈉的濃度為0.lmol/L，草酸鈉的濃度為0.2mol/L，60°C加熱攪拌20min，配成含鈦前驅體的反應液；
[0029]將摻氟的氧化錫玻璃依次在丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水中超聲清洗20min,并吹干，放入水熱反應釜中，向反應釜中加入鈦前驅體反應液，210°C加熱反應15h，反應完成后從反應釜中取出導電玻璃基底，沖洗，吹干，得到鈦酸鈉納米片陣列薄膜；
[0030]鈦酸鹽納米片陣列用0.lmol/L稀鹽酸進行陽離子交換5min，沖洗干凈后，得到鈦酸納米片陣列薄膜；
[0031]將鈦酸納米片陣列薄膜置于馬弗爐中450°C焙燒2h，冷卻，取出后得到銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列薄膜；
[0032]實施例3
[0033]將鈦酸四正丁酯溶于三乙醇胺與水組成的混合溶劑，異丙醇鈦、三乙醇胺、水的摩爾比為1:4:111，乙二胺四乙酸二鈉的濃度為0.9mol/L，鄰苯二甲酸二鈉的濃度為0.5mol/L，70°C加熱攪拌30min，配成含鈦前驅體的反應液；
[0034]將摻錫的氧化銦玻璃依次在丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水中超聲清洗30min,并吹干，放入水熱反應釜中，向反應釜中加入鈦前驅體反應液，220°C加熱反應24h，反應完成后從反應釜中取出導電玻璃基底，沖洗，吹干，得到鈦酸鈉納米片陣列薄膜；
[0035]鈦酸鹽納米片陣列用0.6mol/L稀鹽酸進行陽離子交換2min，沖洗干凈后，得到鈦酸納米片陣列薄膜；
[0036]將鈦酸納米片陣列薄膜置于馬弗爐中400°C焙燒3h，冷卻，取出后得到銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列薄膜；
[0037]實施例4
[0038]將異丙醇鈦溶于三乙醇胺與水組成的混合溶劑，異丙醇鈦、三乙醇胺、水的摩爾比為1:26:739，乙二胺四乙酸二鈉的濃度為0.9mol/L，65°C加熱攪拌15min，配成含鈦前驅體的反應液；
[0039]將摻錫的氧化銦玻璃依次在丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水中超聲清洗15min,并吹干，放入水熱反應釜中，向反應釜中加入鈦前驅體反應液，200°C加熱反應12h，反應完成后從反應釜中取出導電玻璃基底，沖洗，吹干，得到鈦酸鈉納米片陣列薄膜；
[0040]鈦酸鹽納米片陣列用0.2mol/L稀鹽酸進行陽離子交換lOmin，沖洗干凈后，得到鈦酸納米片陣列薄膜；
[0041]將鈦酸納米片陣列薄膜置于馬弗爐中450°C焙燒lh，冷卻，取出后得到銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列薄膜；
[0042]由圖可知:薄膜是由薄片狀銳鈦礦相納米片垂直基底，交錯排列形成的陣列薄膜。
[0043]實施例5
[0044]將四氯化鈦溶于三乙醇胺與水組成的混合溶劑，異丙醇鈦、三乙醇胺、水的摩爾比為1:8:74，乙二胺四乙酸二鈉的濃度為1.2mol/L，60°C加熱攪拌15min，配成含鈦前驅體的反應液；
[0045]將摻錫的氧化銦玻璃依次在丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水中超聲清洗30min,并吹干，放入水熱反應釜中，向反應釜中加入鈦前驅體反應液，230°C加熱反應6h，反應完成后從反應釜中取出導電玻璃基底，沖洗，吹干，得到鈦酸鈉納米片陣列薄膜；
[0046]鈦酸鹽納米片陣列用0.lmol/L稀鹽酸進行陽離子交換5min，沖洗干凈后，得到鈦酸納米片陣列薄膜；
[0047]將鈦酸納米片陣列薄膜置于馬弗爐中400°C焙燒0.5h，冷卻，取出后得到銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列薄膜。
【主權項】
1.一種制備銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列的方法，其步驟如下所述: (1)將鈦前驅體溶于有機胺絡合劑與水組成的混合溶劑，再加入乙二胺四乙酸二鈉及多羧酸鈉鹽，加熱攪拌，配成含鈦前驅體的反應液； 鈦前驅體為異丙醇鈦、鈦酸四正丁酯、四氯化鈦中的一種或二種以上； 加熱攪拌溫度為40?70°C，攪拌時間為15?60min ； 多羧酸鈉鹽為檸檬酸鈉、草酸鈉、鄰苯二甲酸二鈉中的一種或二種以上； 多羧酸鈉鹽于體系中的總濃度為0.1?1M ; 乙二胺四乙酸二鈉于體系中的濃度為0.13?1.21M ； 鈦前驅體、有機胺絡合劑、水的混合摩爾比例為:1:8?24:222?2736 ； (2)將清洗干凈的透明導電玻璃基底放入水熱反應釜中，向反應釜中加入鈦前驅體反應液，使透明導電玻璃基底浸泡于鈦前驅體反應液中，加熱反應，反應完成后從反應爸中取出導電玻璃基底，沖洗，吹干，得到鈦酸鈉納米片陣列薄膜； 加熱反應溫度為180?240°C，反應時間為3?48h ; (3)鈦酸鈉納米片陣列用稀酸進行陽離子交換，沖洗干凈后，得到鈦酸納米片陣列薄膜； 稀酸為經過稀釋的鹽酸或硝酸，濃度為0.1?0.6mol/L ;陽離子交換時間為2?20min ； (4)將鈦酸納米片陣列薄膜置于馬弗爐中焙燒，冷卻，取出后得到銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列薄膜； 焙燒溫度為350?550°C，焙燒時間為0.5?3h。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于: 所述的透明導電玻璃基底為摻錫的氧化銦玻璃、摻氟的氧化錫玻璃或摻鋁的氧化鋅玻3?。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于: 清洗干凈的透明導電玻璃基底是將透明導電玻璃基底依次在丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水中超聲清洗并吹干。4.根據權利要求4所述的方法，其特征在于:所述步驟(1)中超聲時間為10-30min。
【專利摘要】本發明涉及一種在透明導電玻璃基底上制備銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列薄膜的方法。主要步驟：將鈦前驅體與含有有機胺絡合劑的水溶液混合均勻，再加入乙二胺四乙酸二鈉及其它多羧酸鈉鹽配制成反應液；將清洗干凈的透明導電玻璃基底放置于水熱反應釜中，加入鈦前驅體反應液加熱反應，充分反應后取出導電玻璃基底，沖洗，吹干，得到鈦酸鹽納米片陣列薄膜；將鈦酸鹽納米片陣列薄膜用稀酸水溶液進行陽離子交換，充分交換后沖洗，吹干；將離子交換后的鈦酸鹽納米片陣列薄膜置于馬弗爐中高溫焙燒，冷卻后取出導電玻璃基底，即可得到銳鈦礦相二氧化鈦納米片陣列薄膜。本發明操作簡單，可控性好，薄膜與基底結合牢固，適合在光電器件中應用。
【IPC分類】B82Y40/00, C01G23/053, B82Y30/00
【公開號】CN105271394
【申請號】CN201410339244
【發明人】李 燦, 仲東, 張文華
【申請人】中國科學院大連化學物理研究所
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2014年7月16日