專利名稱：一種制備密度可調(diào)的TiO₂納米棒陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種TiO2納米棒陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
納米TiO2化學(xué)性能穩(wěn)定，其獨特光學(xué)催化性能及其光電性能使其在催化劑、紫外 射線吸收劑、光敏染料電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其獨特的疏水性和超親水性，使其 在制造自清潔表面以及織構(gòu)重建等生物醫(yī)用材料領(lǐng)域有獨特的應(yīng)用。將納米TiO2制備于 基板上可實現(xiàn)其光化學(xué)的器件化。TiO2的三種晶型中，金紅石較難在低溫水熱條件下制備， 有關(guān)研究報道了玻璃導(dǎo)電基板上金紅石納米棒陣列的水熱制備(Bin Liu, et a 1. Journal ofthe American Chemical Society2009，131，(11)，3985-3990.)。其制備所得金紅石納米 棒陣列應(yīng)用于光敏染料電池光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到3%。US Patent Application 20100084008利 用電噴涂方法，中國專利CN 101649483利用化學(xué)液相沉積在玻璃導(dǎo)電基板上制備一層TiO2 晶種，通過晶種誘導(dǎo)于基板上生成TiO2納米棒陣列實現(xiàn)了納米TiO2光化學(xué)器件化。現(xiàn)有 通過種子層誘導(dǎo)基板上制備TiO2納米棒陣列的技術(shù)中，并未實現(xiàn)納米棒陣列密度的完全可 控?；迳霞{米TiO2的性質(zhì)與其形貌、尺寸及密度密切相關(guān)，因此基板上制備可控TiO2納 米棒陣列可使納米TiO2光化學(xué)器件化應(yīng)用前景更加廣泛。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在基板上制備密度可調(diào)的TiO2納米棒陣列的方法。本發(fā)明的制備密度可調(diào)的TiO2納米棒陣列的方法，TiO2納米棒的直徑為IOnm 200nm, TiO2納米棒的密度分布范圍為9. 4 X IO2CnT2 8. 3 X IO13nT2，制備步驟如下1)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩爾比1 1 1. 2 0. 3 0. 4溶于乙醇 中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度為0. 1 0. 3mol/L,聚乙烯吡咯烷酮濃度為30 60mg/L的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；2)將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠在5 20°C下，以6000 8000rpm的速度旋涂到基板 上，旋涂時間為30 40s，在基板上形成二氧化鈦前軀體納米點陣列溶膠膜，然后將基板放 入馬弗爐中在100-1000°C進(jìn)行熱處理；3)將熱處理后的基板放入鈦酸鹽與酸的混合水溶液中進(jìn)行水熱處理，混合水溶 液中鈦酸鹽濃度0. 02-0. 05mol/L，酸的體積為混合水溶液體積的37% -50 %，水熱溫度為 80 220°C，水熱時間為0. 5 5h，得到在基板上的TiO2納米棒陣列。本發(fā)明中，所述的鈦酸鹽為三氯化鈦、四氯化鈦、硫酸鈦、氟化鈦或鈦酸四正丁酯。 所述的酸可以是鹽酸、硝酸、硫酸、油酸或醋酸。本發(fā)明中，所述的基板可以是金屬基板，也可以是玻璃、石英、硅等無機(jī)非金屬基 板。本發(fā)明通過改變水熱溶液中鈦酸鹽的濃度和水熱時間可以改變TiO2納米棒陣列 的直徑。通過改變旋涂液中鈦酸四丁酯及聚乙烯吡咯烷酮濃度和旋涂后基板熱處理溫度可
3以改變納米點的晶相和密度，進(jìn)而改變納米棒陣列的密度。本發(fā)明制備方法簡單易行，操作簡單，制得的TiO2納米棒陣列根據(jù)其不同的直徑 和密度，可實現(xiàn)對其表面潤濕性、光催化性能以及光電性能的可控，廣泛應(yīng)用于光催化領(lǐng) 域、光敏染料電池領(lǐng)域以及蛋白質(zhì)折疊和織構(gòu)重建等生物醫(yī)學(xué)用材料領(lǐng)域。


圖1是TiO2納米棒陣列的SEM圖。
具體實施例方式以下結(jié)合實例進(jìn)一步說明本發(fā)明。實例11)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩爾比1 1 0.3溶于乙醇中，然后加入聚 乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度為0. lmol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度為30mg/L的二氧化鈦前驅(qū)體 溶膠；2)將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠在20°C下，以6000rpm的速度旋涂到玻璃基板上，旋涂 時間為35s，在基板上形成二氧化鈦前軀體納米點陣列溶膠膜，然后將玻璃基板放入馬弗爐 中在100°C進(jìn)行熱處理；3)將0.005M鈦酸四丁酯加入到0. 5M鹽酸溶液中，攪拌至形成穩(wěn)定溶液，移至 IOOmL水熱釜中。將熱處理后玻璃基板傾斜置于水熱釜中。水熱溫度為80°C，水熱時間 為2h。本發(fā)明得到在玻璃基板上的TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)，納米棒的直徑為lOnm，密度為 9. 4 X IO2CnT2實例21)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩爾比1 1. 1 0.4溶于乙醇中，然后加入 聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度為0. 2mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度為40mg/L的二氧化鈦前驅(qū) 體溶膠；2)將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠在15°C下，以6500rpm的速度旋涂到ITO基板上，旋涂 時間為30s，在ITO基板上形成二氧化鈦前軀體納米點陣列溶膠膜，然后將基板放入馬弗爐 中在400°C進(jìn)行熱處理；3)將0. OlM四氯化鈦加入到0. 9M硝酸溶液中，攪拌至形成穩(wěn)定溶液，移至IOOmL 水熱釜中。將熱處理后基板傾斜置于水熱釜中。水熱溫度為110°C，水熱時間為1.5h。本 發(fā)明得到在ITO基板上的TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)，納米棒的直徑為42nm，密度為3. 6 X IO6CnT2實例31)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩爾比1 1.2 0.35溶于乙醇中，然后加 入聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度為0. 3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度為60mg/L的二氧化鈦前 驅(qū)體溶膠；2)將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠在10°C下，以7000rpm的速度旋涂到硅基板上，旋涂時 間為40s，在硅基板上形成二氧化鈦前軀體納米點陣列溶膠膜，然后將FTO基板放入馬弗爐 中在600°C進(jìn)行熱處理；3)將0. 02M硫酸鈦加入到1. 3M鹽酸溶液中，攪拌至形成穩(wěn)定溶液，移至IOOmL水熱釜中。將熱處理后FTO基板傾斜置于水熱釜中。水熱溫度為140°C，水熱時間為0. 5h。本 發(fā)明得到在硅基板上的TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)，納米棒的直徑為83nm，密度為3. 4X10W2實例 41)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩爾比1 1 0.4溶于乙醇中，然后加入聚 乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度為0. 2mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度為50mg/L的二氧化鈦前驅(qū)體 溶膠；2)將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠在15°C下，以SOOOrpm的速度旋涂到硅基板上，旋涂時 間為30s，在硅基板上形成二氧化鈦前軀體納米點陣列溶膠膜，然后將硅基板放入馬弗爐中 在800°C進(jìn)行熱處理；3)將0. 05M鈦酸四丁酯加入到2M硫酸溶液中，攪拌至形成穩(wěn)定溶液，移至IOOmL 水熱釜中。將熱處理后硅基板傾斜置于水熱釜中。水熱溫度為180°C，水熱時間為50min。本 發(fā)明得到在硅基板上的Ti02納米棒陣列結(jié)構(gòu)，納米棒的直徑為153nm，密度為4. SXlO1W2實例 51)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩爾比1 1 0.35溶于乙醇中，然后加入 聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度為0. 3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度為40mg/L的二氧化鈦前驅(qū) 體溶膠；2)將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠在5°C下，以SOOOrpm的速度旋涂到玻璃基板上，旋涂時 間為30s，在玻璃基板上形成二氧化鈦前軀體納米點陣列溶膠膜，然后將硅基板放入馬弗爐 中在1000°C進(jìn)行熱處理；3)將IM三氯化鈦加入到3M鹽酸溶液中，攪拌至形成穩(wěn)定溶液，移至IOOmL水熱 釜中。將熱處理后硅基板傾斜置于水熱釜中。水熱溫度為220°C，水熱時間為lh。本發(fā)明 得到在玻璃基板上的TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)，如圖1所示，納米棒的直徑為200nm，密度為 8. 3 X IO13CnT2。
權(quán)利要求
一種制備密度可調(diào)的TiO2納米棒陣列的方法，其特征是TiO2納米棒的直徑為10nm～200nm，TiO2納米棒的密度分布范圍為9.4×102cm 2～8.3×1013m 2，制備步驟如下1)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩爾比1∶1～1.2∶0.3～0.4溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度為0.1～0.3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度為30～60mg/L的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；2)將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠在5～20℃下，以6000～8000rpm的速度旋涂到基板上，旋涂時間為30～40s，在基板上形成二氧化鈦前軀體納米點陣列溶膠膜，然后將基板放入馬弗爐中在100 1000℃進(jìn)行熱處理；3)將熱處理后的基板放入鈦酸鹽與酸的混合水溶液中進(jìn)行水熱處理，混合水溶液中鈦酸鹽濃度0.02 0.05mol/L，酸的體積為混合水溶液體積的37％ 50％，水熱溫度為80～220℃，水熱時間為0.5～5h，得到在基板上的TiO2納米棒陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備密度可調(diào)的TiO2納米棒陣列的方法，其特征是所述的鈦 酸鹽為三氯化鈦、四氯化鈦、硫酸鈦、氟化鈦或鈦酸四正丁酯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備密度可調(diào)的TiO2納米棒陣列的方法，其特征是所述的酸 是鹽酸、硝酸、硫酸、油酸或醋酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備密度可調(diào)的TiO2納米棒陣列的方法，其特征是所述的基 板是金屬基板，也可以是玻璃、石英、硅等無機(jī)非金屬基板。
全文摘要
本發(fā)明公開的制備密度可調(diào)的TiO2納米棒陣列的方法，TiO2納米棒的直徑為10nm～200nm，TiO2納米棒的密度分布范圍為9.4×102cm-2～8.3×1013m-2，制備步驟如下1)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；2)將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠速度旋涂到基板上，在基板上形成二氧化鈦前軀體納米點陣列溶膠膜，然后板放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理；3)將熱處理后的基板放入鈦酸鹽與酸的混合水溶液中進(jìn)行水熱處理，得到在基板上的TiO2納米棒陣列。本發(fā)明制備方法簡單，制得的TiO2納米棒陣列根據(jù)其不同的直徑和密度，可實現(xiàn)對其表面潤濕性、光催化性能以及光電性能的可控。
文檔編號B82B3/00GK101973582SQ20101029540
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者宋晨路, 張溪文, 徐剛, 杜丕一, 湯丹, 沈鴿, 程逵, 翁文劍, 趙高凌, 韓高榮 申請人:浙江大學(xué)