一种可见光响应的氮掺杂二氧化钛纳米管的制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种可见光响应的氮掺杂二氧化钛纳米管的制备方法，包括如下步骤：a将金属钛或者含钛化合物经过水热或者溶剂热法制备偏钛酸纳米管；b将步骤a制备的偏钛酸或二氧化钛纳米管或者商品偏钛酸或二氧化钛纳米管分散于含有氮源的水溶液或者水/醇混合溶液中，搅拌或者超声处理10分钟到10小时；c将步骤b中得到的浆液转入装有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密闭加热处理10分钟到10天，反应温度为50－350℃；d将步骤c得到的产品经去离子水洗涤、干燥、焙烧制得氮掺杂的二氧化钛纳米管。本发明的氮掺杂二氧化钛纳米管的制备方法简单、清洁环保，适合批量制备、成本低廉、适应性强，制得的氮掺杂二氧化钛纳米管应用广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛纳米管的制备方法，特别是涉及一种可见光响应的氮掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，本发明还涉及该方法制备的二氧化钛纳米管的应用。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)无毒、无害、耐酸碱腐蚀，对紫外光有较好的吸收和紫外光光催化活性，因此粉体、膜和整体式等TiO₂材料在太阳能的存储与利用、光电转换、光致变色、除臭、杀菌、防霉、自洁及光催化降解大气和水中的污染物等方面得到广泛的应用和研究。TiO₂的光电、催化性能主要取决于其晶型、尺寸和半导体带隙能(Band gap，Eg)。自然界或合成的TiO₂主要有锐钛矿(anatase)、金红石(rutile)和不稳定的板钛矿(brookite)等三种主要晶型。根据晶型不同，二氧化钛的半导体带隙能在3.0～3.2左右，只能吸收占太阳光谱中3～5％的紫外部分，而对可见光几乎没有任何吸收。如何提高二氧化钛材料的可见光响应是充分开发太阳能所追求的最重要目标之一，也是近年来的研究热点。此外，TiO₂纳米材料(纳米球、纳米棒、纳米片、纳米线和纳米管等)由于具有表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应等特性，从而在光学、电学、力学和磁学等方面表现出不同于宏观材料的特性，尤其受到关注。TiO₂纳米管是近年来发展起来的一种新型管状纳米材料，具有比其他纳米TiO₂粉体和膜更大的比表面积和发达的孔体积和巨大的应用潜力。目前开发的TiO₂纳米管的制备方法主要有溶胶-凝胶法(sol-gel)，化学气相沉积法(CVD)，激光烧触法，电化学法和水热法。尽管上述方法均能成功的制备不同孔径尺寸和长度的TiO₂纳米管，然而目前尚未有采用上述方法制备可见光响应的稳定TiO₂纳米管的报道，尤其是采用水热或者溶剂热低温氮化合成的锐钛矿相TiO_2-XN_X纳米管尚未见文献报道。

为了提高二氧化钛的可见光响应，通常可以通过过渡金属和非金属掺杂和金属、氧化等的负载来实现，但是过渡金属掺杂往往不稳定，而且掺杂会导致“光生电子-空穴(e-h)”的复合，从而限制了其应用。非金属掺杂的TiO₂，具有更好的稳定性和抗e-h复合的能力，受到人们的青睐。2001年R.ASahi等报道可以通过非金属掺杂来提高二氧化钛的可见光响应能力，其中氮掺杂的二氧化钛(TiO_2-XN_X)具有最好的可强光催化活性和稳定性，他们采用高温氨解法和离子注入制备了TiO_2-XN_X，其实验结果和理论计算结果良好吻合(R.Asahi，T.Morikawa，T.Ohwaki，K.Aoki，Y.Taga，Science，2001，293：269-271)，其后大量的文献重复了他们的合成方法并发展多种制备方法。目前TiO_2-XN_X的制备方法主要有高温氨解法、水热法和溶剂热法，制备的材料主要是纳米粉体，关于TiO_2-XN_X纳米管鲜有报道。Ghicov等采用阳极模板法制备了TiO₂纳米管阵列，随后采取离子注入法制备了TiO_2-XN_X纳米管阵列，其光电流比TiO₂纳米管阵列高出了8倍，但是其合成方法需要特殊的设备(A.Ghicov，J.M.Macak，H.Tsuchiya，J.Kunze，V.Haeublein，L.Frey，P.Schmuki，NanoLetters，2006，6，(5)，1080-1082.)，且该纳米管为管径较大(～100nm)的混合相。最近，Y.Wang等以TiO₂纳米管为钛源，采用高温氨解法制备了TiO_2-XN_X纳米管，但是所得材料的管状结构破坏严重，透射电镜照片显示产物为断裂的纳米棒(Yan Wang，Caixia Feng，Zhensheng Jin，Jiwei Zhang，Jianjun Yang and Shunli Zhang，Journal of MolecularCatalysis A：Chemical，2006，260(1-2)：1-3)。迄今，制备均匀、完整的TiO_2-XN_X纳米管仍是功能材料领域的一大挑战。由于对于大多数可见光光催化和太阳能电池材料等应用需要锐钛矿相或金红石相的二氧化钛，所以制备出单相锐钛矿相或金红石相的TiO_2-XN_X纳米管具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可见光响应的氮掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，该方法工艺流程简单、清洁环保，适合批量制备、成本低廉、适应性强，制得的氮掺杂的二氧化钛纳米管尺寸和管径均匀可控、热稳定性和可见光活性良好，可广泛应用于功能材料领域。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可见光响应的氮掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，包括如下步骤：a将金属钛或者含钛化合物经过水热或者溶剂热法制备偏钛酸纳米管；b将步骤a制备的偏钛酸或二氧化钛纳米管或者商品偏钛酸或二氧化钛纳米管分散于含有氮源的的水溶液或者水/醇混合溶液中，搅拌或者超声处理10分钟到10小时，其中醇可以由氯仿、苯、环己烷等极性或非极性溶剂代替，但出于成本和环保的考虑，选取水醇混合溶液；c将步骤b中得到的浆液转入装有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密闭加热处理10分钟到10天，反应温度为50-350℃，优选为80～180℃；d将步骤c得到的产品经去离子水洗涤、干燥、焙烧制得氮掺杂的二氧化钛纳米管，产品的化学式为：TiO_2-XN_X。

上述制备方法，其中，所述步骤a中的金属钛为钛粉、钛棒或钛片；所述含钛化合物包括商品或者合成的二氧化钛、钛的无机盐类、钛的醇盐或者偏钛酸。

上述制备方法，其中，所述步骤b中的氮源为氨水、氨盐或水合肼；所述铵盐为氯化铵、硝酸铵、硫酸铵、甲酸铵，乙酸铵，尿素、碳酸铵，碳酸氢铵、磷酸铵、磷酸氢铵、氟化铵、溴化铵、硫化铵或硫脲。

上述制备方法，其中，所述步骤d中的干燥和焙烧可以在真空、惰性气体或者空气气氛下焙烧，焙烧温度为80-1000℃，优选为250～600℃；干燥温度为20～200℃，优选为60～120℃。

上述制备方法，其中，所述制得的氮掺杂的二氧化钛纳米管的比表面积为30～600m²/g。

上述制备方法，其中，所述步骤d制得的氮掺杂的二氧化钛纳米管可用于可见光光催化净化水、气中的污染物，光催化杀菌，太阳能电池，气体传感器或分离膜。

本发明的可见光响应的氮掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，具有如下有益效果：

1.本发明的TiO_2-XN_X纳米管制备方法制备的TiO_2-XN_X纳米管的管状结构完整，结晶度高，管径均匀，长径比高，晶相可控；

2.本发明的TiO_2-XN_X纳米管制备方法为软化学合成方法，工艺简单，易于放大，避免高温氨解技术导致的纳米管的管状结构破坏和烧结；

3.本发明的TiO_2-XN_X纳米管制备方法为低温合成技术，节约能源；

4.本发明的TiO_2-XN_X纳米管制备方法的氮化过程在密闭体系进行，降低了氨的挥发和对设备的腐蚀，避免或降低高温氮化过程中带来的NOx污染，环境效益显著；

5.本发明制得的TiO_2-XN_X纳米管用途广泛，可以广泛应用于光催化、光伏器件和气敏元件，具有优异的稳定性和可见光响应性能。

附图说明

图1是氮掺杂TiO₂纳米管的制备流程示意图；

图2A为实施例一中经氨水120℃水热12小时合成的前驱物和450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的XRD谱图；

图2B为实施例二中经氯化铵/水/乙醇120℃热处理3小时合成的前驱物和450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的XRD谱图；

图3A为实施例一中经氨水120℃水热12小时及450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的SEM照片；

图3B为实施例二中经氯化铵/水/乙醇120℃热处理3小时合成的前驱物及450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的SEM照片。

图4A为实施例一中以氨水120℃水热12小时合成的前驱物的TEM图；

图4B为实施例一中450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的TEM图；

图4C为实施例一中600℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的TEM图；

图4D为实施例二中经氯化铵/水/乙醇溶剂120℃热处理3小时合成的TiO_2-XN_X纳米管的TEM图；

图4E为实施例二中450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的TEM图；

图5为实施例一中氮掺杂TiO₂纳米管的紫外可见漫反射光谱图；

图6A为实施例一中氨水120℃水热处理的前驱物的Nls-XPS谱图；

图6B为实施例一中450℃焙烧的样品的Nls-XPS谱图。

具体实施方式：

如图1所示流程制备本发明的氮掺杂二氧化钛纳米管。

实施例一

称取3.2克商品锐钛矿TiO₂，加入盛有10M的NaOH溶液75mL中，剧烈搅拌30分钟，然后转入装有100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，于160℃处理24小时，所得白色沉淀经去离子水和0.2M的盐酸洗涤致中性，得到偏钛酸纳米管。将该新制的偏钛酸纳米管分散于氨水中，超声处理20分钟，之后移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于120℃处理12小时，产品取出后经抽滤、水洗后，将获得的白色沉淀于60℃烘干，之后于120℃干燥，最后分别经250～600℃焙烧处理2小时，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。经XRD(X射线)，FESEM(场发射扫描电子显微镜)和TEM(透射电子显微镜)检测表明为锐钛矿相TiO_2-XN_X纳米管。其中250℃焙烧处理2小时的样品比表面积300m²/g，450℃焙烧处理2小时的样品比表面积140m²/g。

前述经氨水120℃水热12小时合成的前驱物和450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的XRD谱图见图2A，SEM照片见图3A；氨水120℃水热12小时合成的前驱物的TEM图见图4A，450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的TEM图见图4B，600℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的TEM图见图4C；制备的TiO_2-XN_X纳米管的紫外可见漫反射光谱图见图5；氨水120℃水热处理12小时的前驱物的X射线光电子能谱图(Nls-XPS)见图6A，450℃焙烧的样品的Nls-XPS谱图见图6B。

实施例二

称取3.2克商品锐钛矿TiO₂，加入盛有10M的NaOH溶液75mL中，剧烈搅拌30分钟，然后转入装有100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，于160℃处理24小时，所得白色沉淀经去离子水和0.2M的盐酸洗涤致中性，得到偏钛酸纳米管。将该新制的偏钛酸纳米管分散于重量分数为20％的氯化铵的水/醇混合溶液中，搅拌7小时，移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于120℃处理3小时，得到黄色沉淀，产品取出后经抽滤、水洗后，于60℃烘干，进而于120℃处干燥，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。经XRD，FESEM和TEM检测表明为锐钛矿相TiO_2-XN_X纳米管。纳米管可以进而在惰性气氛下最后分别经250～1000℃焙烧处理，得到锐钛矿或金红石相的TiO_2-XN_X纳米管或其混合物。

经氯化铵/水/乙醇120℃热处理3小时合成的前驱物和450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的XRD谱图见图2B，SEM照片见图3B，经氯化铵/水/乙醇溶剂热120℃/3小时合成的TiO_2-XN_X纳米管的TEM图见图4D，450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管的TEM图见图4E。

实施例三

称取4克商品偏钛酸纳米管，分散于水合肼中，搅拌4小时，移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于120℃处理12小时，产品取出后经抽滤、水洗后，将获得的白色沉淀于60℃烘干，进而于120℃处干燥，最后分别经250～450℃焙烧处理2小时，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。经XRD，FESEM和TEM检测表明为锐钛矿相TiO_2-XN_X纳米管。其中250℃焙烧处理2小时的样品比表面积300m²/g，450℃焙烧处理2小时的样品比表面积140m²/g。

实施例四

称取4克如实施例一法所示自制得的偏钛酸纳米管，分散于重量分数为20％的碳酸铵的水/醇混合溶液中，超声处理30分钟，移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于350℃处理10分钟，得到黄色沉淀，产品取出后经抽滤、水洗后，于50℃烘干，之后于100℃干燥，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。经XRD，FESEM和TEM检测表明为锐钛矿相TiO_2-XN_X纳米管。将纳米管在惰性气氛下最后分别经250～1000℃焙烧处理，得到锐钛矿或金红石相的TiO_2-XN_X纳米管或其混合物。

实施例五：

称取4克商品偏钛酸纳米管，分散于重量分数为20％的乙酸铵的水/醇混合溶液中，搅拌8小时，移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于150℃处理5小时，得到黄色沉淀，产品取出后经抽滤、水洗后，于室温20℃烘干，进而于120℃处干燥，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。经XRD，FESEM和TEM检测表明为锐钛矿相TiO_2-XN_X纳米管。将纳米管在惰性气氛下最后分别经250～1000℃焙烧处理，得到锐钛矿或金红石相的TiO₂-xNx纳米管或其混合物。

实施例六

称取4克如实施例一所制得的偏钛酸纳米管，分散于重量分数为40％的浓氨水水/乙醇混合溶液中，搅拌10小时，移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于180℃处理12小时，得到白色沉淀，产品取出后经抽滤、水洗、醇洗后，于60℃烘干，之后于180℃干燥，将获得的白色产物分别经250～450℃焙烧处理2小时，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。经XRD，FESEM和TEM检测表明为锐钛矿相TiO_2-XN_X纳米管。

实施例七

称取4克如实施例一制备的偏钛酸纳米管，将该新制的偏钛酸纳米管分散于5mol/L的氨水中，超声处理20分钟，移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于50℃处理10天，产品取出后经抽滤、水洗后，将获得的白色沉淀于60℃烘干，之后于120℃干燥，最后分别经250～700℃焙烧处理2小时，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。经XRD，FESEM和TEM检测表明为锐钛矿相TiO₂-xNx纳米管。

实施例八

称取4克如实施例一制备的偏钛酸纳米管，将该新制的偏钛酸纳米管分散于5mol/L的氨水中，搅拌10小时，移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于300℃处理20分钟，产品取出后经抽滤、水洗后，将获得的白色沉淀于80℃烘干，之后于200℃干燥，最后分别经250～700℃焙烧处理2小时，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。

实施例九

称取4克如实施例一制得的偏钛酸纳米管，分散于乙醇(80体积分数)/(NH₄)₂SO₄水溶液((NH₄)₂SO₄重量分数为15％)混合溶液中，搅拌10分钟，然后移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于80℃处理5天，得到白色沉淀，产品取出后经抽滤、水洗、醇洗后，于60℃烘干，之后于120℃干燥10小时，将获得的白色产物分别经250～650℃焙烧2小时，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。

实施例十

称取4克如实施例一制得的偏钛酸纳米管，分散于乙醇(80体积分数)/NH₄NO₃水溶液(NH₄NO₃重量分数为20％)混合溶液中，超声10分钟，然后移入100mL容积的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，填充度为80％，于60℃处理10天，得到白色沉淀，产品取出后经抽滤、水洗、醇洗后，于60℃烘干，进而于120℃处干燥10小时，将获得的白色产物分别经80～650℃焙烧2小时，得到系列浅黄色的TiO_2-XN_X纳米管产物。

实施例十一

TiO₂-xNx纳米管的光催化分解亚甲基蓝水溶液脱色

称取实施例一中所述的450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管100mg，分散于200mL的10ppm的亚甲基蓝水溶液中，在磁力搅拌下，经254nm紫外光照射(10W)，亚甲基蓝在5分钟内分解完毕。若以365nm的紫外光照射(22W)，亚甲基蓝在25分钟内分解完毕。若以420的可见光照射(300W)，亚甲基蓝在120分钟内分解完毕。

实施例十二

TiO₂-xNx纳米管的光催化分解甲基橙水溶液脱色

称取实施例一中所述的450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管100mg，分散于200mL的10ppm的甲基橙水溶液中，在磁力搅拌下，经254nm紫外光照射(10W)，甲基橙在15分钟内分解完毕。若以365nm的紫外光照射(22W)，甲基橙在40分钟内分解完毕。若以420nm的可见光照射(300W)，甲基橙在180分钟内分解完毕。

实施例十三

TiO₂-xNx纳米管的光催化灭菌

称取实施例三中所述的250℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管100mg，以高压汞灯为光源，采用光学可见光滤光片过滤紫外部分，实际光催化应用光源波长为410-450nm，光强110μm/m2，该纳米管的大肠杆菌杀灭率超过90％，而同样条件下，商品二氧化钛P25几乎没有灭菌活性。而在254nm紫外线照射下，二者活性相当。

实施例十四

TiO2-xNx纳米管的光伏应用

将实施例三中所述的450℃焙烧的TiO_2-XN_X纳米管采用Doctor Blade的方法制备染料敏化的太阳能电池片，其光电转化效率可达5％以上，而染料敏化纳米商品锐钛矿二氧化钛的太阳能电池片的光电转化效率仅为3％。