一种锐钛矿二氧化钛纳米棒的合成方法

摘要

本发明涉及一种锐钛矿二氧化钛纳米棒的合成方法，首先在容器中加入一定量的乙酸，再加入丁二酸，超声搅拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺，超声搅拌，最后加入钛酸四丁酯，混合均匀后加入到水热反应釜中，加热反应，反应结束后，得到锐钛矿相的二氧化钛纳米棒。该二氧化钛纳米棒，其晶型为锐钛矿型形貌是一维纳米棒状，本发明所制备的锐钛矿相的二氧化钛纳米棒具有尺寸可控、制备过程简单和成本低廉等特点。该锐钛矿相二氧化钛纳米棒为可以作为染料敏化太阳能电池和量子点太阳能电池的工作电极材料。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种二氧化钛纳米棒的合成方法；尤其涉及一种锐钛矿二氧化钛 纳米棒的合成方法。

背景技术：

能源与环境是21世纪科学研究的两大主题。解决当前日益严重的能源短缺 和环境污染问题是提高人民生活质量、保障国家安全和实现人类社会可持续发展 的迫切需要。基于太阳能利用的电池技术在解决能源和环境问题方面具有巨大的 应用潜力。TiO₂因其价格低廉、氧化能力强(具有普适性)、具有生物以及化学惰 性(环保、无二次污染)、高效稳定(抗光腐蚀和化学腐蚀，是最有可能产业化的新 型太阳能电池材料。

二氧化钛的晶型主要有锐钛型和金红石型两种，锐钛型是一个热不稳定的 结构，在大约800℃可以转变为金红石型，而且这一晶型的转化是不可逆的。金 红石型是一个热稳定的结构，不会随温度变化而改变。这两种晶型结构均由相互 连接的TiO₆八面体构成，两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间的相互连 接方式不同，金红石型的八面体是不规则的，微显斜方晶，锐钛型的八面体呈明 显的斜方晶畸变，其对称性低于金红石型。金红石型的每个八面体与周围10个 八面体相连(其中两个共边，八个共顶角)，而锐钛型的每个八面体与周围8个八 面体相连(其中四个共边，四个共顶角)，这些结构上的差异导致了这两种晶型不 同的质量密度及电子能带结构。锐钛型的质量密度(3.894g.cm^-3)略小于金红石型 (4.250g.cm^-3)，而带隙(3.2eV)则略大于金红石型(3.0eV)。金红石型二氧化钛对 氧分子的吸附能力差，比表面积较小，因而光生电子和空穴容易复合，从而使其 光性能受到一定影响（引自Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,2727–2730）。而微 结构是纳米棒的锐钛型二氧化钛，在电池传输上有良好的特性，并且锐钛矿晶体 结构对光照有着很好的折射和吸收作用，但是目前来看，弱酸水热体系中没有科 技文献报告锐钛型二氧化钛的纳米棒。现在我们在这里创造性的报道一种弱酸体 系中合成的锐钛型二氧化钛的纳米棒。

发明内容：

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种操作简单、低成本的 锐钛矿二氧化钛纳米棒的合成方法。在弱酸体系中首次合成锐钛型二氧化钛的纳 米棒，填补了目前本领域中的技术空白。

本发明的技术方案为：一种锐钛矿二氧化钛纳米棒的合成方法，其特征在于 二氧化钛纳米棒形状呈粗棒状，合成的产物的晶型为锐钛矿型，具体步骤如下：

(1)首先在容器中加入乙酸，再加入丁二酸，溶解，

(2)然后在上述溶液中加入氮氮二甲基乙酰胺，溶解，得混合溶液；

(3)最后在混合溶液中加入的钛源，混合后加入到水热反应釜中，加热反应;

(4)反应结束后，离心干燥得到二氧化钛纳米棒。

优选步骤（1）中所述的乙酸和丁二酸的质量比为8:(1-5)；步骤（2）中氮 氮二甲基乙酰胺的加入质量与乙酸的质量比为（1-4）：1；步骤（3）中钛源的加 入质量与乙酸的质量比为为（1-20）：8。

优选上述的钛源为钛酸四丁酯、四氯化钛或异丙醇钛。

优选步骤（3）中加热反应的温度为140-180℃；加热反应的时间为12-60小 时。

有益效果：

本发明所制备的锐钛矿相的二氧化钛纳米棒具有尺寸可控、制备过程简单和 成本低廉等特点。通过调节发明工艺可以得到不同尺寸的锐钛矿相二氧化钛纳米 棒并以此可以调控染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池和光催化的反应性 能。

附图说明：

图1：为实施例1所制备的纳米棒材料的SEM图；

图2：为实施例2所制备的纳米棒材料的SEM图；

图3：为实施例3所制备的纳米棒材料的SEM图；

图4为实施例1,2，3所制备的纳米棒材料的XRD图，其中a代表实施例1， b代表实施例2，c代表实施例3。

具体实施方式：

实施例1

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸1g，超声搅拌，然后加入氮氮二 甲基乙酰胺8g，超声搅拌，最后加入钛酸四丁酯1g，混合均匀后加入到水热反 应釜中，放入烘箱在140℃度下反应12h，反应结束后，取出反应釜，得到锐钛 矿相的二氧化钛纳米棒。纳米棒棒长300nm。其制备的样品SEM图如图1所示， 从图中可以看出该纳米棒结构完整，表面均一。所制材料的XRD图如图4中的 a线所示，可以得出所得到的的产物为锐钛矿型晶体。

实施例2

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸5g，超声搅拌，然后加入氮氮二 甲基乙酰胺30g，超声搅拌，最后加入异丙醇钛20g，混合均匀后加入到水热反 应釜中，放入烘箱在180℃度下反应60h，反应结束后，取出反应釜，得到锐钛 矿相的二氧化钛纳米棒。纳米棒棒长400nm。其制备的样品SEM图如图2所示， 从图中可以看出该纳米棒结构完整，表面均一。所制材料的XRD图如图4中的 b线所示，可以得出所得到的的产物为锐钛矿型晶体。

实施例3

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸1g，超声搅拌，然后加入氮氮二 甲基乙酰胺30g，超声搅拌，最后加入钛酸四丁酯20g，混合均匀后加入到水热 反应釜中，放入烘箱在140℃度下反应60h，反应结束后，取出反应釜，得到锐 钛矿相的二氧化钛纳米棒。纳米棒棒长500nm。其制备的样品SEM图如图3所 示，从图中可以看出改纳米棒结构完整，表面均一。其XRD图如图4中的c线 所示，可以得出所得到的的产物为锐钛矿型晶体。

实施例4

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸5g，超声搅拌，然后加入氮氮二甲基 乙酰胺8g，超声搅拌，最后加入钛酸四丁酯1g，混合均匀后加入到水热反应釜 中，放入烘箱在140℃度下反应12h，反应结束后，取出反应釜，得到锐钛矿相 的二氧化钛纳米棒。纳米棒棒长200nm。

实施例5

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸2.5g，超声搅拌，然后加入氮氮二甲 基乙酰胺20g，超声搅拌，最后加入钛酸四丁酯15g，混合均匀后加入到水热反 应釜中，放入烘箱在160℃度下反应50h，反应结束后，取出反应釜，得到锐钛 矿相的二氧化钛纳米棒。纳米棒棒长1700nm。

实施例6

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸2.5g，超声搅拌，然后加入氮氮二甲 基乙酰胺23g，超声搅拌，最后加入钛酸四丁酯10g，混合均匀后加入到水热反 应釜中，放入烘箱在180℃度下反应12h，反应结束后，取出反应釜，得到锐钛 矿相的二氧化钛纳米棒。纳米棒棒长700nm。

实施例7

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸2.5g，超声搅拌，然后加入氮氮二甲 基乙酰胺23g，超声搅拌，最后加入四氯化钛10g，混合均匀后加入到水热反应 釜中，放入烘箱在180℃度下反应12h，反应结束后，取出反应釜，得到锐钛矿 相的二氧化钛纳米棒。纳米棒棒长5300nm。

实施例8

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸2.5g，超声搅拌，然后加入氮氮二甲 基乙酰胺20g，超声搅拌，最后加入四氯化钛15g，混合均匀后加入到水热反应 釜中，放入烘箱在160℃度下反应50h，反应结束后，取出反应釜，得到锐钛矿 相的二氧化钛纳米棒。纳米棒棒长1700nm。

实施例9

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸5g，超声搅拌，然后加入氮氮二甲基 乙酰胺8g，超声搅拌，最后加入四氯化钛1g，混合均匀后加入到水热反应釜中， 放入烘箱在140℃度下反应12h，反应结束后，取出反应釜，得到锐钛矿相的二 氧化钛纳米棒。纳米棒棒长6200nm。

实施例10

首先在容器中加入乙酸8g，再加入丁二酸2.5g，超声搅拌，然后加入氮氮二甲 基乙酰胺20g，超声搅拌，最后加入异丙醇钛15g，混合均匀后加入到水热反应 釜中，放入烘箱在160℃度下反应50h，反应结束后，取出反应釜，得到锐钛矿 相的二氧化钛纳米棒。纳米棒棒长1700nm。