一种具有核壳结构的TiN/TiO2三维纳米线阵列及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有核壳结构的TiN/TiO

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米结构领域，具体是涉及一种具有核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列及其制备方法。

背景技术

随着纳米技术的发展，核壳结构纳米复合材料成为复合材料、纳米材料等领域研究的热点。核壳结构的纳米复合材料一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成，核壳结构的纳米复合材料中的内核与外壳之间通过物理、化学作用相互连接。广义的核壳结构不仅包括由不同物质组成的具有核壳结构的纳米复合材料，还包括中空微球、微胶囊等纳米复合材料。由于核壳结构的纳米复合材料具有许多独特的物理和化学特性，在超疏水表面涂层、材料学、化学、磁学、电学、光学、生物医学、催化等领域都具有潜在的应用价值。在核壳材料方面的综述文献较多，主要对核壳材料的结构类型进行了分类综述，并对其应用进行了阐述。核壳材料一般包括无机/有机，无机/无机，有机/有机，以及空心球、微胶囊等。目前TiO₂核壳结构的常用制备方法主要有旋涂法，化学溶液法等。核壳材料的壳层不仅可以调整纳米粒子的表面特性，改变其表面电荷密度、表面活性、官能团、反应性、生物相容性、稳定及分散性；同时还可以通过特殊梯度结构，将外壳粒子特有的超疏水性能、催化活性、电学性能、生物医药性能和光学性质等赋予内核微粒。纳米复合材料作为新型的功能材料在光学、磁学、催化、药物载体等领域显示出巨大的应用潜力，但是核壳结构纳米复合材料在制备与应用过程中仍存在许多问题，随着理论研究和制备工艺的完善，纳米复合材料有待于进一步的研究和完善。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种简单可控的核壳结构及其制备方法，可以在具有良好电导特性的钛网上获得形貌规则、尺寸可控的TiN/TiO₂三维纳米线阵列。

为了解决以上技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种具有核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列，直接生长于钛网表面，具有三维立体结构，TiN/TiO₂纳米线直径为40-150nm。

优选地，TiN/TiO₂纳米线分布均匀，尺寸规则。

优选地，所述的具有核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列的制备方法，具体步骤如下：

(1)将钛网依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，最后取出放在滤纸上自然晾干；

(2)将预处理好的钛网放入装有NaOH溶液的反应釜中，在烘箱中于210-230℃反应14-16h，取出钛网后置于稀盐酸中浸泡后取出钛网，用去离子水冲洗，冲洗后自然晾干；

(3)将步骤(2)中晾干后的钛网在空气气氛中煅烧，煅烧温度为550-650℃，保温时间为1.8-2.2小时；

(4)将步骤(3)得到的产物放入磁控溅射沉积系统的真空室，以TiN作为溅射的靶材，射频功率设为90-110W，溅射15-30min，得到核壳结构的TiN/TiO₂纳米线阵列。

优选地，步骤(1)的具体过程如下：将钛网置于装有丙酮的烧杯中超声清洗8-12min，然后放入装有乙醇的烧杯中超声清洗8-12min，取出后放入装有去离子水的烧杯中再超声清洗8-12min，最后取出放在滤纸上自然晾干。

优选地，步骤(2)中NaOH溶液的浓度为1mol/L，稀盐酸的浓度为0.1mol/L。

优选地，步骤(2)中钛网在稀盐酸中浸泡时间为15-25min。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、一方面在水热法制备的TiO₂纳米线阵列的前提下，采用磁控溅射的方法实现TiN的尺寸可控溅射，从而获得具有尺寸均匀核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列；

2、钛网作为基底具有良好的电导特性，从而为此三维核壳纳米线阵列在电催化、光电器件方面的应用提供了良好的基础和前提；

3、此制备方法具有简单、稳定、尺寸、纯度可控的特点，有利于大规模工业化生产；

4、此种方法可以拓展到其它能适用于磁控溅射的材料体系，获得具有不同材料组合的三维核壳纳米线阵列结构。

附图说明

图1、2为本发明中实施例1所制备的具有核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列不同放大倍数的扫描电子照片；

图3、4为本发明中实施例2所制备的具有核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列不同放大倍数的扫描电子照片；

图5为本发明的具有核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列的X射线光电子能谱。

具体实施方式

下面结合具体事例针对本发明作进一步说明。

实施例1

一种具有核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列的制备方法，具体步骤如下：

(1)将钛网置于装有丙酮的烧杯中超声清洗10min，然后放入装有乙醇的烧杯中超声清洗10min，取出后放入装有去离子水的烧杯中再超声清洗10min,最后取出放在滤纸上自然晾干；

(2)将预处理好的钛网放入装有1mol/LNaOH溶液的反应釜中，在烘箱中220℃反应15h，取出钛网后置于0.1mol/L的稀盐酸中浸泡一段时间使钠离子与氢离子充分进行离子交换，然后取出钛网，用去离子水冲洗，冲洗后自然晾干；

此步骤中，钛网和NaOH溶液反应形成Na₂Ti₂O₅，在稀盐酸中浸泡20min后形成TiO₂的前驱体。

(3)将步骤(2)中晾干后的钛网在空气气氛中煅烧，煅烧温度600℃，保温时间为2小时得到TiO₂；

(4)将步骤(3)制备好的TiO₂放入磁控溅射沉积系统的真空室，以TiN作为溅射的靶材，射频功率设为100W，溅射15min，从而在TiO₂纳米线阵列的表面沉积一层TiN，得到核壳结构的TiN/TiO₂纳米线阵列。

本实例所制备的核壳结构的TiN/TiO₂纳米线阵列有序度高，纳米线直径尺寸为40-80nm，所制备的核壳结构的TiN/TiO₂纳米线阵列形貌如图1、2所示。

实施例2

一种具有核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列的制备方法，具体步骤如下：

(1)将钛网置于装有丙酮的烧杯中超声清洗10min，然后放入装有乙醇的烧杯中超声清洗10min，取出后放入装有去离子水的烧杯中再超声清洗10min,最后取出放在滤纸上自然晾干；

(2)将预处理好的钛网放入装有1mol/LNaOH溶液的反应釜中，在烘箱中220℃反应15h，取出钛网后置于0.1mol/L的稀盐酸中浸泡一段时间使钠离子与氢离子充分进行离子交换，然后取出钛网，用去离子水冲洗，冲洗后自然晾干；

此步骤中，钛网和NaOH溶液反应形成Na₂Ti₂O₅，在稀盐酸中浸泡20min后形成TiO₂的前驱体。

(3)将步骤(2)中晾干后的钛网在空气气氛中煅烧，煅烧温度600℃，保温时间为2小时得到TiO₂；

(4)将步骤(3)制备好的TiO₂放入磁控溅射沉积系统的真空室，以TiN作为溅射的靶材，射频功率设为100W，溅射30min，从而在TiO₂纳米线阵列的表面沉积一层TiN，得到核壳结构的TiN/TiO₂纳米线阵列。

本实例所制备的核壳结构的TiN/TiO₂纳米线阵列有序度高，纳米线直径尺寸为100-150nm，所制备的核壳结构的TiN/TiO₂纳米线阵列形貌如图3、4所示。

图5为本发明的具有核壳结构的TiN/TiO₂三维纳米线阵列的X射线光电子能谱，从图5可以看出溅射后有TiN。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。