一种锐钛矿型二氧化钛纳米棒及其制备方法

摘要

本发明公开了一种锐钛矿型二氧化钛纳米棒及其制备方法，该方法以钛醇盐为钛源，有机碱为解胶剂，乙二醇～水或乙二醇～水～乙醇为溶剂，首先低温解胶，然后高温水热反应，控制晶体生长按照取向键接的方式发生，最终产物形貌控制为特殊纳米棒状，取向键接方向为方向，晶体暴露面为{101}面。根据反应条件不同，纳米棒直径在5～60nm范围、棒长为50～400nm范围内可调。本发明纳米棒生长过程是由多颗锐钛矿晶粒按照一定的择优方向，通过共享共同的晶体面的晶体点阵匹配发生局部键接融合，最终形成具有一定长径比、良好的分散性和巨大表面积的纳米棒，利用该纳米棒制备的电极材料容易获得更高的电子收集效率，具有较高的光电性能。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种锐钛矿型二氧化钛纳米棒及 其制备方法。

背景技术

纳米二氧化钛材料是迄今为止取得商业应用最为成功的纳米材料之 一。因其具备对人体无毒，化学稳定性高，吸收紫外光，折射率高等特点， 使得其在化妆品、涂料、化纤、塑料等传统领域应用广泛。近年来，二氧 化钛在抗紫外玻璃、自洁净玻璃、光催化室内空气净化、光催化水污染治 理等新兴领域，也取得了应用突破。最新的研究报道表明，在备受关注的 新能源领域，包括染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池，其中最 为关键的即是作为电子收集载体的纳米二氧化钛薄膜电极。在经过充分的 研究论证之后，锐钛矿型纳米二氧化钛被证明是在众多氧化物半导体材料 中最有效的一种电极材料。与此同时，纳米二氧化钛及其掺杂材料在光解 水制氢方向也备受关注。

当纳米二氧化钛应用在新型太阳能电池、光解水制氢等光电化学领域 时，其作为半导体的光电性质与器件的性能密切相关。而材料的光电化学 性质又是由材料的晶型、尺寸、微观形貌（结构）等多种因素共同决定的。 在光电化学领域适用的所谓高质量纳米二氧化钛，必须具有优化的纳米尺 寸，适当高的比表面积，良好的分散性使其制备的薄膜质量更高-即具有更 高的机械结合强度和收集光生电子的能力。典型的例子如，在染料敏化太 阳能电池中经过充分优化的二氧化钛电极材料，其组成单元为：晶粒尺寸 约20nm、锐钛矿型、颗粒状纳米二氧化钛，比表面积为70～100m²/g。10μm 左右厚度的薄膜电极材料可提供足够大的内表面积，充分吸附染料，从而 最大限度的吸收利用太阳光。光生电子在10μm厚度的薄膜电极中扩散，需 要经过大量的晶界才能够到达导电基底表面被外电路收集，调控电子传输 和复合的速度是有效收集光生电子的关键，这一步骤直接关系到高性能的 电池器件能否实现。

传统二氧化钛纳米颗粒，其薄膜电极中晶界数量较多，电子扩散系数 较低，电子寿命较短，传统二氧化钛纳米颗粒制备的电极材料不容易获得 较高的电子收集效率，从而限制了光电化学器件的性能。同时，之前报道 的二氧化钛纳米棒的制备工艺缺乏对棒的尺寸和微观形貌的精确控制，质 量不高，且一般原料较贵，单次产率较低，从而限制了其工业化应用的前 景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锐钛矿型二氧化钛纳米棒，具有良好的分 散性和巨大的表面积。

本发明的另一目的在于提供一种锐钛矿型二氧化钛纳米棒的制备方 法，所制得的纳米二氧化钛除具有良好的分散性和巨大的表面积，并在生 长方向、晶体暴露面、尺寸和长径比等性能上具有可控性。

一种二氧化钛纳米棒，晶型为锐钛矿，二氧化钛纳米棒的形貌呈棒状， 直径为5～60纳米，棒长为50～400纳米；二氧化钛纳米棒是通过取向键 接方式形成，取向生长方向为<001>方向，晶体暴露面为{101}面。

所述纳米二氧化钛的制备方法，以钛醇盐为钛源，有机碱为解胶剂， 乙二醇～水或乙二醇～水～乙醇为溶剂，首先在低温下解胶，然后在高温 下水热反应，对水热反应产物依次进行分离、洗涤、干燥及热处理，最后 得到二氧化钛纳米棒。

所述乙二醇与水的体积比为1：4～15：1。

所述钛醇盐与有机碱的摩尔比为1：4～3：1。

所述解胶温度为75～110℃、解胶时间1～8小时；所述水热反应温度为 160～250℃，水热反应时间为4～64小时。

所述钛醇盐为钛酸乙酯、钛酸异丙脂、钛酸丁酯中的任意一种；所述有 机碱为四甲基、乙基、丙基及丁基氢氧化铵中的任意一种。

本发明的技术效果体现在：

本发明的核心技术是利用乙二醇对钛醇盐改性。采用“乙二醇～水～乙 醇”三元溶剂体系，调节三元溶剂比例，可控制乙二醇、水和乙醇分子在二 氧化钛晶体表面不同的吸附比例，从而控制晶体生长按照取向键接的方式 发生，最终产物形貌控制为特殊纳米棒状，取向键接方向为<001>方向，晶 体暴露面为{101}面。乙二醇在纳米二氧化钛表面的强吸附，具有空间位 阻效应可防止团聚，使得纳米材料在水热反应之后保持了良好的分散性。

本发明可通过调节反应前驱体中钛醇盐、有机铵的浓度，以及水热反 应温度，实现材料尺寸的调变：棒直径大小可在5～60纳米内调变，而长 度可在50～400纳米内调变。较小尺寸纳米棒比表面积可达到100～ 150m²/g。

本发明一维棒状二氧化钛，在取代传统二氧化钛纳米颗粒时，使得薄 膜电极中晶界数量成倍数减少，从而具备更高的电子扩散系数。其特定的 晶体暴露面、大量减少的晶界使得电子寿命更长，两者共同作用的结果是 基于二氧化钛纳米棒制备的电极材料容易获得更高的电子收集效率，从而 实现高性能的光电化学器件（如染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能 电池或光解水制氢光电化学池等）。

此外，本发明实现制备出的二氧化钛纳米棒与之前文献报道的纳米棒 在微观结构上有所不同：之前报道的锐钛矿纳米棒表面光滑，通常是由 {100}晶面组成，本发明涉及的纳米棒表面按照晶体点阵角度呈褶皱状， 该晶体暴露面为{101}面。本发明涉及的纳米棒生长过程是由所谓“取向 键接”机制控制的，即纳米棒是由多颗锐钛矿晶粒按照一定的择优方向，通 过共享共同的晶体面(通常是高表面能晶体面，此处为{001}面)，由于晶 体点阵匹配发生局部键接融合，最终形成具有一定长径比的纳米棒。本发 明原材料廉价，单次合成产率高，且产物的尺寸、长径比连续可调，具有 更高的实用价值。

本发明提供的以“乙二醇～水～乙醇”为主溶剂制备二氧化钛纳米棒的 方法，主要有以下几个突出特点：

1.该工艺采用的化学反应物原材料丰富，价格低廉，生产成本低。

2.制备工艺简单，工艺参数容易控制，产品重复性好，单次产量高。

3.产物为高质量锐钛矿型二氧化钛纳米棒（图1），微观结构为特殊的 取向键接性的纳米棒，生长方向为<001>方向，晶体暴露面为{101} 面（图2、图3）。

4.二氧化钛纳米棒分散性好（图2），尺寸可调，直径尺寸为5～60纳 米，长度为50～400纳米，比表面积可达到100～150m²/g（图4、 图5、图6、图7）。

附图说明

图1为实例1、2、3、4制备的二氧化钛纳米棒薄膜的X射线衍射谱；

图2为实例3所对应的二氧化钛纳米棒产物的透射电镜图；

图3为图2的高分辨率电镜图；

图4为实例1制备的二氧化钛纳米棒的扫描电镜图；

图5为实例2制备的二氧化钛纳米棒的扫描电镜图；

图6为实例3制备的二氧化钛纳米棒的扫描电镜图；

图7为实例4制备的二氧化钛纳米棒的扫描电镜图。

具体实施方式

本发明方法的工艺步骤包括：

1、采用乙二醇改性的钛醇盐(钛酸乙酯、钛酸异丙脂、钛酸丁酯其中任 一种)为前驱物，缓慢加入包含有机铵（四甲基、乙基、丙基、丁基氢氧化 铵其中任一种）的三元溶剂（乙二醇、水和乙醇）中，在低温（75～110℃） 环境下，溶剂保持回流状态，并强烈搅拌，待反应物完全加入后，持续回 流搅拌1～8小时，最终得到完全澄清的前驱体溶胶。一般钛醇盐与有机碱 的摩尔比为1：4～3：1，钛醇盐的摩尔浓度为0.1～1mol/L，所述有机碱的 摩尔浓度为0.15～1.5mol/L，乙二醇与水的体积比为1：4～15：1。

2、将澄清溶胶前驱体加到高温水热反应釜中，进行高温高压水热反应， 反应时间为4～64小时，温度保持在160～250℃。

3、对水热反应产物分离洗涤得到二氧化钛产物，其质量为理论值的 95%。

4、分离：可采用离心固液分离，转数保持在3000～12000转每分钟， 离心3～10分钟。产物尺寸较小的可以通过添加絮凝剂如稀硝酸，帮助分 离。

5、洗涤：采用过量水和乙醇进行洗涤，重复3～5次，充分洗去二氧化 钛表面的有机物及杂质，最后一次采用乙醇进行洗涤，得到湿的含乙醇的 二氧化钛产物。

6、干燥：为了除去含乙醇二氧化钛的乙醇，可采用常压加热干燥，温 度为80~100℃，时间为10~50分钟；也可采用真空减压干燥，如70~90mBar 压力，温度为20~50℃，时间120~240分钟。

7、热处理：干燥后的半成品在400~500℃温度下热处理1~2小时，可以 得到表面洁净的棒状二氧化钛。

实例1：

将10mmol钛酸异丙酯与少量乙二醇充分混合，将混合液缓慢加入到包 含1.79ml四丁基氢氧化铵溶液的乙二醇～水～乙醇的混合液中，最终保持 反应前驱体中乙二醇：水：乙醇的体积比为15：1：14。在85℃油浴条件 下磁力搅拌回流1小时，直到反应液完全变成澄清。再将此反应液转移到 容量为100ml的聚四氟乙烯水热釜中，在温度为230℃烘箱中反应24小时， 冷却到室温，再经过10000转离心分离，用水和乙醇反复洗涤5次，将乙 醇润湿的产物涂膜在玻璃基底上，在100℃下干燥30分钟，再经450℃热 处理1小时。产物比表面积为144.8m²/g，产物形貌如图4所示。

实例2：

具体过程同实例1，区别在于最终保持反应前驱体中乙二醇∶水∶乙醇 的体积比为1∶1∶0。产物比表面积为105.5m²/g，产物形貌如图5所示， 说明长径比或者说取向键接生长方式可通过调节溶剂比例加以控制。

实例3：

将30mmol钛酸异丙脂与少量乙二醇充分混合，将混合液缓慢加入到包 含4.47ml四甲基氢氧化铵溶液的乙二醇～水的混合液中，最终保持反应前 驱体中乙二醇∶水的体积比为1∶1。在85℃油浴条件下磁力搅拌回流3小 时，直到反应液完全变成澄清。再将此反应液转移到容量为100ml的聚四 氟乙烯水热釜中，在温度为230℃烘箱中反应24小时，冷却到室温，再经 过8000转离心分离，用水和乙醇反复洗涤5次，将乙醇润湿的产物涂膜在 玻璃基底上，在100℃下干燥30分钟，再经450℃热处理1小时。产物比 表面积为57.0m²/g，产物形貌如图6所示。说明可通过调节钛醇盐和有机碱 浓度有效调节产品尺寸，同时可以提高产物单次产量。

实例4：

将35mmol钛酸异丙脂与少量乙二醇充分混合，将混合液缓慢加入到包 含7ml四甲基氢氧化铵溶液的乙二醇～水的混合液中，最终保持反应前驱 体中乙二醇：水的体积比为1：1，并在100℃油浴条件下磁力搅拌回流5 小时，直到反应液完全变成澄清。再将此反应液转移到容量为100ml的聚 四氟乙烯水热釜中，在温度为230℃烘箱中反应24小时，冷却到室温，再 经过6000转离心分离，用水和乙醇反复洗涤3次，将乙醇润湿的产物涂膜 在玻璃基底上，在100℃下干燥30分钟，再经450℃热处理1小时。产物 比表面积为32.1m²/g，产物形貌如图7所示。说明在钛醇盐和有机碱浓度较 大的反应体系中，容易制得较粗的纳米棒。

由于钛酸乙酯、钛酸异丙脂、钛酸丁酯三种物质的结构相似，则三种物 质的化学性质类似，所以三种物质可以相互替换。同样有机铵四甲基、乙 基、丙基、丁基氢氧化铵结构相似，则四种物质的化学性质是类似的，所 以四种物质可以相互替换。

图1为按照实例1、2、3、4实验条件制备的二氧化钛纳米棒薄膜的X 射线衍射谱。对照数据库标准谱图数据库可知，产物均为锐钛矿型晶体结 构。而谱线的(200)/(004)晶面衍射峰强比明显不同于标准XRD卡片，这是 由于一维纳米棒材料对X射线衍射的各向异性造成的，从侧面也证实了纳 米棒特殊晶体取向的存在。数条谱线不同的半高宽也反应了材料尺寸的可 调控性；根据（200）晶面衍射峰半高宽，采用谢乐公式计算出棒的直径分 别为5.0nm、16.8nm、25.2nm和56.8nm。

图2、图3为实例3所对应的二氧化钛纳米棒产物的透射电镜照片，图 3是图2的高分辨率照片，从中可以观察到二氧化钛纳米棒的原子像。从图 2可以看出纳米棒状材料具有良好的分散性，棒材料表面并不光滑，是一颗 一颗的纳米颗粒键接而成的，对应的高分辨率照片（图3）可通过测量对材 料进行指标化，结果显示晶体暴露面均为{101}面，而取向键接的方向为 <001>方向。其他棒状材料的表征结果也可以得到相似的结论。

图4、图5、图6、图7分别为按照实例1、2、3、4实验条件制备的二 氧化钛纳米棒的扫描电镜照片。从图4观察测量实例1相关纳米棒的尺寸 约为5～10nm（直径）×100～250nm（长度），从图5观察测量实例2相关 纳米棒的尺寸约为13～18nm（直径）×40～100nm（长度），从图6观察测 量实例3相关纳米棒的尺寸约为20～30nm（直径）×100～400nm（长度）， 从图7观察测量实例4相关纳米棒的尺寸约为40～60nm×150～500nm（长 度），纳米棒直径观测的结果与通过图1中XRD计算的结果相符。上述三 种材料的比表面积经过测试分别为144.8m²/g、105.5m²/g、57.0m²/g、 32.1m²/g。测试结果反映出，棒的直径和长径比可以通过改变实验条件加以 调控从而实现对材料比表面积的控制。

本发明的创新点在于利用乙二醇对钛醇盐改性，而在制备过程中各物质 的摩尔浓度、摩尔比、体积比、温度、时间等工艺参数可根据制备原理、 试验条件和试验结果进行确定和调整。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。