一步法制備銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種一步法制備銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列的方法,首先在容器中加入一定量的晶面誘導(dǎo)劑，再加入乙酸，超聲攪拌至溶解，然后加入氮氮二甲基乙酰胺，超聲攪拌至均勻，最后加入一定量的鈦酸四丁酯，混合均勻后加入到放有旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，加熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，取出樣品，樣品表面用淋洗，吹干，得到銳鈦礦相的納米線陣列。本發(fā)明所制備的一維銳鈦礦相的二氧化鈦納米線陣列具有尺寸可控、制備過(guò)程簡(jiǎn)單和成本低廉等特點(diǎn)。該一維銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列為可以作為染料敏化太陽(yáng)能電池和量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的工作電極材料。
【專利說(shuō)明】一步法制備銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種二氧化鈦納米線陣列的方法；尤其涉及一種一步法制備銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列的方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]能源與環(huán)境是21世紀(jì)科學(xué)研究的兩大主題。解決當(dāng)前日益嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題是提高人民生活質(zhì)量、保障國(guó)家安全和實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要?；谔?yáng)能利用的電池技術(shù)在解決能源和環(huán)境問(wèn)題方面具有巨大的應(yīng)用潛力。TiO2因其價(jià)格低廉、氧化能力強(qiáng)(具有普適性)、具有生物以及化學(xué)惰性(環(huán)保、無(wú)二次污染)、高效穩(wěn)定(抗光腐蝕和化學(xué)腐蝕，是最有可能產(chǎn)業(yè)化的新型太陽(yáng)能電池材料。
[0003]二氧化鈦納米線陣列的形成是一個(gè)基本的結(jié)晶過(guò)程，包括成核和生長(zhǎng)；按照形成途徑可分為均相成核和異相成核。均相成核是指在一定的過(guò)飽和度或過(guò)冷度的條件下，由體系內(nèi)部直接形成晶核；體系發(fā)生均勻成核時(shí)各部分成核幾率相等。當(dāng)體系中存在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)(塵埃、固體顆粒、籽晶等)，在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)上成核叫做異相成核或非均勻成核。晶體的生長(zhǎng)過(guò)程從宏觀角度看是晶體一環(huán)境相(氣相、溶液、熔體)界面向環(huán)境相中不斷推移的過(guò)程，即由包含組成晶體單元的母體從低秩序向高度有序晶相的轉(zhuǎn)變。從微觀角度來(lái)講，晶體的生長(zhǎng)是原子或者分子附在原有晶核上長(zhǎng)大的過(guò)程(引自Angew.Chem.1nt.Ed.2012，51，2727 - 2730)。但由于晶體生長(zhǎng)技術(shù)和方法的多樣性和生長(zhǎng)過(guò)程的復(fù)雜性，基本的晶體生長(zhǎng)過(guò)程已不能解釋晶體形貌的多樣性，因此深入地研究晶體的生長(zhǎng)理論尤為必要。對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程的深入理解，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體制備的指導(dǎo)和控制，對(duì)實(shí)現(xiàn)納米材料的晶型控制及形貌演變具有重大的 意義。TiO2是一種多晶型的化合物，存在金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦三種結(jié)晶形態(tài)。其中銳鈦礦型的光活性較高，金紅石型較弱，板鈦礦則不具有光電活性。銳鈦礦相二氧化鈦因?yàn)樽陨淼奶厥庑再|(zhì)在制造新一代太陽(yáng)能電池，包括染料敏化太陽(yáng)能電池和量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池中扮演了重要角色。目前，沒(méi)有在弱酸體系中能夠合成出純相的銳鈦礦的二氧化鈦納米線。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供了一種操作簡(jiǎn)單、低成本的一步法制備銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列的方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一步法制備銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列的方法，通過(guò)在導(dǎo)電基板上旋涂一層晶種層，讓納米線和基板之間的晶格更加匹配，進(jìn)而合成了一維納米線，具體步驟如下:
[0006](I)首先在容器中加入晶面誘導(dǎo)劑，再加乙酸，超聲攪拌；
[0007](2)然后在上述溶液中加入氮氮二甲基乙酰胺，超聲攪拌；
[0008](3)最后再加入鈦源，超聲攪拌，得混合溶液；
[0009](4)然后將混合溶液加入到放有旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，加熱反應(yīng)；
[0010](5)反應(yīng)結(jié)束后，取出樣品，樣品表面淋洗，吹干，得銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列。
[0011]優(yōu)選上述的晶面誘導(dǎo)劑為乙酸鋰、乙酸鈉或乙酸鉀；鈦源是鈦酸四丁酯、四氯化鈦或異丙醇鈦。
[0012]優(yōu)選步驟(1)中所述的晶面誘導(dǎo)劑與乙酸的質(zhì)量比為1: (35-40);步驟(2)中氮氮二甲基乙酰胺的加入質(zhì)量與晶面誘導(dǎo)劑質(zhì)量比為35-80:1 ;步驟(3)中鈦源的加入質(zhì)量與晶面誘導(dǎo)劑質(zhì)量比為15-30:1。
[0013]優(yōu)選步驟(4)中所述的旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板是經(jīng)過(guò)鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理的導(dǎo)電基板，鈦酸四丁酯的乙醇溶液的濃度為0.5-2mol/L。
[0014]優(yōu)選步驟(4)中所述的加熱反應(yīng)的溫度為160_180°C ;加熱反應(yīng)的時(shí)間為12_60。
[0015]有益效果:
[0016]本發(fā)明所制備的一維銳鈦礦相的二氧化鈦納米線陣列具有尺寸可控、制備過(guò)程簡(jiǎn)單和成本低廉等特點(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)明工藝可以得到不同尺寸的銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列并以此可以調(diào)控染料敏化太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池和光催化的反應(yīng)性能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0017]圖1為實(shí) 施例1所制備的納米線陣列的SEM圖；
[0018]圖2實(shí)施例1所制備的納米線陣列的XRD圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0019]實(shí)施例1
[0020]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鋰，再加入乙酸質(zhì)量為35g，超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺35g，超聲攪拌，最后加入鈦酸四丁酯15g，混合均勻后加入到放有0.5mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在160°C下反應(yīng)12h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干，得納米線陣列，納米線線長(zhǎng)為500nm。所制備的納米線陣列的SEM和XRD圖分別如圖1和2所示，從圖1可以看出納米線生長(zhǎng)均一，并且納米直接生長(zhǎng)在導(dǎo)電基板上；從圖2可以看出這種納米線是銳鈦礦型納米線。
[0021]實(shí)施例2
[0022]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鈉，再加入乙酸質(zhì)量為35g，超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺35g，超聲攪拌，最后加入鈦酸四丁酯15g，混合均勻后加入到放有0.5mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在160°C下反應(yīng)12h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 2500nm。
[0023]實(shí)施例3
[0024]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鉀，再加入乙酸質(zhì)量為35g，超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺35g，超聲攪拌，最后加入鈦酸四丁酯15g，混合均勻后加入到放有0.5mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在160°C下反應(yīng)60h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 2310nm。
[0025]實(shí)施例4
[0026]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鉀，再加入乙酸質(zhì)量為40g，超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺80g，超聲攪拌，最后加入鈦酸四丁酯20g，混合均勻后加入到放有2mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在180°C下反應(yīng)60h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 7940nm。
[0027]實(shí)施例5
[0028]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鉀，再加入乙酸質(zhì)量為40g，超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺80g，超聲攪拌，最后加入鈦酸四丁酯15g，混合均勻后加入到放有2mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在180°C下反應(yīng)40h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 6500nm。
[0029]實(shí)施例6
[0030]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鈉，再加入乙酸質(zhì)量為35g超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺80g，超聲攪拌，最后加入鈦酸四丁酯30g，混合均勻后加入到放有0.5mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在180°C下反應(yīng)40h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 3510nm。
[0031]實(shí)施例7
[0032]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鈉，再加入乙酸質(zhì)量為40g超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺35g，超聲攪拌，最后加入鈦酸四丁酯15g，混合均勻后加入到放有0.5mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在160°C下反應(yīng)60h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 3500nm。
[0033]實(shí)施例8
[0034]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鉀，再加入乙酸質(zhì)量為35g超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺35g，超聲攪拌，最后加入鈦酸四丁酯30g，混合均勻后加入到放有1.5mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在160°C下反應(yīng)60h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 8500nm。
[0035]實(shí)施例9
[0036]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鋰，再加入乙酸質(zhì)量為40g超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺35g，超聲攪拌，最后加入四氯化鈦15g，混合均勻后加入到放有1.3mol/L鈦酸四丁酯的乙醇 溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在165°C下反應(yīng)55h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 2480nm。
[0037]實(shí)施例10[0038]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鋰，再加入乙酸質(zhì)量為40g超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺60g,超聲攪拌,最后加入異丙醇鈦30g,混合均勻后加入到放有1.0mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在148°C下反應(yīng)58h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 9710nm。
[0039]實(shí)施例11
[0040]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鋰，再加入乙酸質(zhì)量為35g，超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺35g，超聲攪拌，最后加入四氯化鈦15g，混合均勻后加入到放有0.5mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在160°C下反應(yīng)12h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為500nm。
[0041]實(shí)施例12
[0042]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鈉，再加入乙酸質(zhì)量為35g，超聲攪拌，然后加入氮氮二甲基乙酰胺35g,超聲攪拌,最后加入異丙醇鈦15g,混合均勻后加入到放有0.5mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在160°C下反應(yīng)12h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 2500nm。
[0043]實(shí)施例13
[0044]首先在燒杯中加入Ig的晶面誘導(dǎo)劑乙酸鉀，再加入乙酸質(zhì)量為35g，超聲攪拌，然后加入氮氮二甲 基乙酰胺35g,超聲攪拌,最后加入異丙醇鈦15g,混合均勻后加入到放有0.5mol/L鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，放入烘箱在160°C下反應(yīng)60h，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)反應(yīng)釜，取出樣品，樣品表面淋洗，然后吹干。納米線線長(zhǎng)為 2310nm。
【權(quán)利要求】
1.一步法制備銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列的方法，其具體步驟如下: (1)首先在容器中加入晶面誘導(dǎo)劑，再加乙酸，超聲攪拌； (2)然后在上述溶液中加入氮氮二甲基乙酰胺，超聲攪拌； (3)最后再加入鈦源，超聲攪拌，得混合溶液； (4)然后將混合溶液加入到放有旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板的水熱反應(yīng)釜中，加熱反應(yīng)； (5)反應(yīng)結(jié)束后，取出樣品，樣品表面淋洗，吹干，制得銳鈦礦相二氧化鈦納米線陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的晶面誘導(dǎo)劑為乙酸鋰、乙酸鈉或乙酸鉀；鈦源是鈦酸四丁酯、四氯化鈦或異丙醇鈦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中所述的晶面誘導(dǎo)劑與乙酸的質(zhì)量比為1: (35-40);步驟(2)中氮氮二甲基乙酰胺的加入質(zhì)量與晶面誘導(dǎo)劑質(zhì)量比為35-80:1 ;步驟(3)中鈦源的加入質(zhì)量與晶面誘導(dǎo)劑質(zhì)量比為15-30:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)中所述的旋涂處理過(guò)的導(dǎo)電基板是經(jīng)過(guò)鈦酸四丁酯的乙醇溶液旋涂處理的導(dǎo)電基板，鈦酸四丁酯的乙醇溶液的濃度為，0.5_2mol/L。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)中所述的加熱反應(yīng)的溫度為，160-180°C ;加熱反 應(yīng)的時(shí)間為12-60。
【文檔編號(hào)】C01G23/053GK103864142SQ201410106158
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】暴寧鐘, 查晨陽(yáng), 王仙, 吉成, 沈麗明, 張曉艷 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)