一种锶‑二氧化钛/钛酸锶纳米异质结及其制备方法和应用

摘要

本发明提供一种锶‑二氧化钛/钛酸锶纳米异质结的制备方法，是以TiO2纳米片和Sr(NO3)2·8H2O为原料，在去离子水中发生水热反应后得到的；所述水热反应的条件为180℃，120分钟。本发明还提供应用该方法制备得到的Sr‑TiO2/SrTiO3纳米异质结及其应用。本发明成功地将Sr2+掺入TiO2/SrTiO3中，提高了TiO2的光生载流子的分离效率，Sr2+的掺杂改善了TiO2/SrTiO3的光电化学性能，Sr‑TiO2/SrTiO3纳米片异质结材料在光催化分解水方面有着良好的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺杂的半导体材料的制备，尤其涉及一种Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米异质结及其制备方法。

背景技术

一维纳米结构，由于其有趣的特性和独特的应用，一直以来都是学者们深入研究的主题。TiO₂作为一种重要的过渡金属氧化物，由于其在环境保护、生物医药、光电传感器、光催化等领域的广泛应用而备受关注。但是目前对具有不同形貌和尺寸的TiO₂材料的研究和应用已经在许多领域不能满足日益扩大的要求了。为了拓展TiO₂的性能，掺杂或与其他材料形成异质结是改善TiO₂的一种有效途径，尤其是与过渡金属和氧化物的掺杂。在近年来已经合成了许多TiO₂材料，TiO₂复合材料可以表现出单个材料所不具备的新的化学和物理性质，这可能会在许多技术应用中产生新颖的性能。在复合材料中，对金属氧化物掺杂的TiO₂的研究和应用在催化剂领域有着广泛的应用。

多维度的纳米材料与未掺杂材料相比，由于其在电学、光学、热学和力学性能上的显著性质，而吸引了广泛的关注。随着纳米科学与技术的进一步发展，复合纳米材料也广泛应用制备电化学传感和生物传感。在金属氧化物中，TiO₂的纳米片具有独特的性能，如：好的生物相容性和光敏性，有望用于光催化分解水等等。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米异质结及其制备方法和应用。

本发明提供一种Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米异质结的制备方法，是以TiO₂纳米片和Sr(NO₃)₂·8H₂O为原料，在去离子水中发生水热反应后得到的；所述水热反应的条件为180℃，60分钟。

作为优选，所述TiO₂纳米片的制备方法为：

（1）将清洗干净的钛片放入聚四氟乙烯内衬反应釜中，加入NaOH水溶液，进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为120分钟，清洗干燥后，得到黑色的Na₂Ti₃O₇纳米片；将Na₂Ti₃O₇纳米片浸泡在HCl中一段时间，得到H₂Ti₃O₇纳米片；

（2）将步骤（1）得到的H₂Ti₃O₇纳米片升温至500℃，加热保温120分钟，升温速率为10℃/min，退火后，得到退火后的TiO₂纳米片。

作为优选，所述NaOH与Sr(NO₃)₂·8H₂O的摩尔比为：1：0.007。

氢氧化钠不仅作为碱性反应条件，而且作为反应物质参与反应，进行腐蚀钛片，使得反应得到Na₂Ti₃O₇纳米片，此物质是制备TiO₂>3)₂·8H₂O保持上述比例有利于反应得到形貌均匀的Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结。

作为优选，TiO₂纳米片与Sr(NO₃)₂·8H₂O在去离子水中进行水热反应后，冷却30分钟，然后依次用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤数次后，在60℃-70℃干燥6小时。

本发明还提供应用上述方法制备得到的Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米异质结。

本发明还提供Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米异质结在光催化分解水中的应用。

本发明成功地将Sr²⁺掺入TiO₂/SrTiO₃中，提高了TiO₂的光生载流子的分离效率，Sr²⁺的掺杂改善了TiO₂/SrTiO₃的光电化学性能，Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结材料在光催化分解水方面有着良好的应用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1 为本发明的TiO₂纳米片的扫描电子显微镜图；

图2为本发明的Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结的低倍电子显微镜图；

图3为本发明的Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结的高倍电子显微镜图；

图4本发明的TiO₂纳米片和Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结的i-t>

图5本发明的TiO₂纳米片和Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结的阻抗谱图。

具体实施方式

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为市售。

实施例1

本发明的Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米异质结的制备方法为：

（1）剪钛箔和清洗钛片；

首先将钛箔裁成2.5 cm ×1.5 cm大小的方块，得到钛片，先用洗涤剂洗三次，每次在超声波中超声20 min，除去表面油污，然后依次在丙酮、超纯水、无水乙醇中超声清洗，每次20 min。以上清洗过程重复三次，然后用超纯水冲洗表面，最后用 N₂>

（2）称量4.0 g NaOH溶解在100 mL二次蒸馏水中，形成均匀的溶液，以产生碱性反应条件。将一片钛片放入聚四氟乙烯内衬反应釜中，加入10mL配制的NaOH水溶液，然后再搅拌至溶液澄清，将高压反应釜放入烘箱中，控制反应温度为180 ℃，水热反应120 min后，取出反应釜，冷却30分钟，可以采取自然冷却或强制冷却。用所得样品依次用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤数次后在60℃-70℃干燥6-10小时，得到黑色的Na₂Ti₃O₇纳米片。将这种Na₂Ti₃O₇纳米片浸泡在100>+和H⁺进行交换，得到H₂Ti₃O₇纳米片。反应中所用的高压釜可以是任何类型的高压反应釜，只要其能够满足本发明方法的要求即可。

（3）将步骤（2）将所得到的H₂Ti₃O₇纳米片放入管式炉中，升温至500℃，升温速率为10℃/min>2纳米片。

图1 为本发明的TiO₂纳米片的扫描电子显微镜图；从图中我们可以看出所制备的材料为片状结构，形貌分布均匀并没有出现团聚或者其他结构，说明片状结构是成功制备的。

（4）将0.25 g Sr(NO₃)₂·8H₂O>2/SrTiO₃纳米片异质结。

图2为本发明的Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结的低倍电子显微镜图；从图中我们可以看出，片状结构上明显出现一层白色SrTiO₃颗粒，这些颗粒均匀的分布在纳米片上，说明Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结是成功制备的。

图3为本发明的Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结的高倍电子显微镜图。从它的高倍图中我们可以看出所制备的SrTiO₃纳米粒子的大小为40-50>

在AM 1.5 G光照下，以Pt 片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以制备的不同样品薄膜（即步骤（3）制备的TiO₂纳米片和步骤（4）制备的Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结）作为工作电极，>

图4为本发明的TiO₂纳米片和Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结的i-t>2/SrTiO₃纳米片异质结的电流比原始的TiO₂纳米片的电流密度大，进一步表明本发明所制备的这种复合材料有望应用于光催化分解水。

在AM 1.5 G光照下，以Pt 片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以制备的不同样品薄膜（即步骤（3）制备的TiO₂纳米片和步骤（4）制备的Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结）作为工作电极，>2测得的电化学阻抗谱图。

图5为本发明的TiO₂纳米片和Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结的阻抗谱图。从图中我们可以得出，Sr-TiO₂/SrTiO₃比原始的TiO₂纳米片的阻值小，说明Sr-TiO₂/SrTiO₃纳米片异质结和Sr²⁺掺杂进一步提高了其电荷分离，从而使其提高了导电性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。