氧化鈦基納米帶的改性及應(yīng)用研究.pdf

1、自1991年日本學(xué)者飯島澄男發(fā)現(xiàn)碳納米管以來(lái)，一維納米材料（納米管、納米棒、納米線、納米帶、同軸納米電纜等）引起了人們的廣泛關(guān)注。近來(lái)隨著TiO2納米線、納米管及納米帶等一維納米結(jié)構(gòu)的合成和性能研究的開(kāi)展，二氧化鈦在催化、傳感器、水處理等領(lǐng)域顯示了更廣闊的應(yīng)用前景。二氧化鈦是一種多功能材料，具有良好光電性能、氣敏特性和光催化性能，但是目前應(yīng)用于以上用途的二氧化鈦一般以納米顆粒或者薄膜的形式存在，對(duì)于二氧化鈦納米帶的研究、特別是應(yīng)用研究較

2、少，且其光電性能、氣敏特性和光催化性能仍然無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用要求。因此，本研究在采用水熱法實(shí)現(xiàn)批量制備高質(zhì)量二氧化鈦納米帶的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其改性，制得二氧化鈦納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米帶性能的調(diào)控，制備高性能二氧化鈦納米器件并探索其在光電、光催化、傳感器等幾個(gè)方面的應(yīng)用。 隨著器件制備技術(shù)的顯著進(jìn)步，人們實(shí)現(xiàn)了單根納米帶性能的測(cè)量，并利用單根半導(dǎo)體納米帶或者納米帶陣列制成了超靈敏納米場(chǎng)效應(yīng)管、光電器件、氣體傳感器和生物傳感器。

3、但是由于利用納米帶制備這些納米器件一般需要價(jià)值昂貴的設(shè)備，其制造成本使得這些傳感器幾乎無(wú)法投入市場(chǎng)。本研究提出了采用普通的造紙?jiān)韺⒀趸锛{米帶制成納米紙張的新思路，然后將紙張按照一定的標(biāo)準(zhǔn)切割、連接、封裝就可以制備性能均一的器件，此方法為納米帶由實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用提供了一條可行的新途徑。本研究中采用氧化鈦基納米帶構(gòu)成的納米紙張，制備了相應(yīng)的納米器件，研究其在光電器件、氣敏元件和生物傳感器方面的應(yīng)用。 本研究得到的主要結(jié)論如下：

4、 1、利用水熱法實(shí)現(xiàn)了Na2Ti3O7、H2Ti3O7和TiO2納米帶的批量合成。通過(guò)XRD、TEM、SEM等手段對(duì)所制備的納米帶進(jìn)行表征。結(jié)果表明：納米帶寬度為50～200nm，長(zhǎng)度達(dá)到幾十微米，甚至一百多微米；產(chǎn)物產(chǎn)率高，質(zhì)量好，結(jié)晶良好，表面潔凈，無(wú)缺陷。納米帶的形成機(jī)制為“溶解一結(jié)晶”機(jī)制。首先TiO2被NaOH溶液在水熱條件下溶解，然后結(jié)晶生長(zhǎng)，形成Na2Ti3O7納米帶；酸洗后，Na+和H+交換，形成H2Ti3O7納

5、米帶；經(jīng)一定溫度的熱處理后轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)iO2納米帶。 2、將制備的氧化鈦基納米帶采用普通的造紙?jiān)淼玫搅撕穸纫恢碌娜嵝约{米結(jié)構(gòu)紙張。將紙張按照一定標(biāo)準(zhǔn)切割、連接、封裝制備了性能均一的器件。對(duì)TiO2、H2Ti3O7和Na2Ti3O7納米結(jié)構(gòu)紙的電子傳輸性能進(jìn)行了檢測(cè)，其可測(cè)的I-V行為說(shuō)明了納米結(jié)構(gòu)紙?jiān)趥鞲衅鞣矫娴臐撛趹?yīng)用。研究了TiO2納米帶結(jié)構(gòu)紙張對(duì)O2的敏感性，結(jié)果表明，氧化鈦納米結(jié)構(gòu)紙表現(xiàn)出了對(duì)氧氣的超敏感性。通過(guò)抗菌實(shí)驗(yàn)測(cè)

6、了改性制備的Ag-H2Ti3O7納米結(jié)構(gòu)紙的抗菌和抑菌性能，結(jié)果表明Ag-H2Ti3O7納米結(jié)構(gòu)紙具有良好的抗菌和抑菌性能，將在無(wú)菌過(guò)濾和空氣過(guò)濾方面具備應(yīng)用前景。 3、通過(guò)光催化還原金屬離子法制備了貴金屬（Au、Ag）/TiO2納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)XRD、TEM、SEM、XPS等手段對(duì)樣品進(jìn)行表征，結(jié)果表明，貴金屬（金、銀）離子都被還原形成了貴金屬單質(zhì)納米顆粒，在二氧化鈦納米帶上分散良好，顆粒均勻一致。合成的Ag/TiO2

7、異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶，表面納米Ag顆粒的粒徑約為10nm。而An/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶，表面納米Au顆粒的粒徑約為30nm。利用這種方法制備貴重金屬/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶的方法，制備工藝簡(jiǎn)單，表面潔凈無(wú)污染，不需要添加任何表面活性劑。此材料可以在光催化、催化、殺菌以及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。 4、采用TiO2納米帶、Ag/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶修飾改性玻碳電極，并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Ag/TiO2/GCE在

8、PBS溶液中表現(xiàn)出了穩(wěn)定的電化學(xué)行為，在不同濃度的L-半胱氨酸的0.25 M PBS（pH7.0）溶液中的循環(huán)伏安曲線表明該電極對(duì)于巰基的檢測(cè)表現(xiàn)出了很高的靈敏度。這預(yù)示了Ag/TiO2在生物傳感器方面的潛在應(yīng)用。 5、通過(guò)液相合成法在TiO2納米帶表面組裝ZnO納米結(jié)構(gòu)，制備了ZnO/TiO2納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)。所制得的產(chǎn)物是TiO2的納米帶表面組裝了ZnO納米花：TiO2納米帶的寬度為50～200納米，長(zhǎng)度達(dá)到幾十微米，而Z

9、nO異質(zhì)結(jié)呈花狀，長(zhǎng)為500納米的骨苞上長(zhǎng)有200納米左右的花瓣。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料將在光催化、氣體傳感器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有重要作用。 6、將H2Ti3O7納米帶在一定濃度酸溶液中、100℃溫度條件下進(jìn)行腐蝕，再經(jīng)600℃1h熱處理制備了Anatase TiO2納米顆粒/Anatase TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶（ANP/ANB TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)），然后采用光催化還原方法在此表面沉積金屬Ag，制備了Ag/ANP/ANB TiO2

10、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶。對(duì)所制得的樣品通過(guò)XRD、TEM、HRTEM和UV-Vis光譜進(jìn)行了表征。采用氧化鈦P25和未腐蝕的TiO2納米帶做參照，研究了ANP/ANB TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶和Ag/ANP/ANB TiO2雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶的光催化性能，結(jié)果表明：異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶的光催化性能明顯高于未經(jīng)過(guò)處理的TiO2納米帶；通過(guò)貴重金屬沉積的異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶的光催化性能高于未沉積貴重金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶；經(jīng)過(guò)24h腐蝕的異質(zhì)結(jié)構(gòu)ANP/ANB Ti

11、O2納米帶和經(jīng)過(guò)12h腐蝕的異質(zhì)結(jié)構(gòu)Ag/ANP/ANB TiO2納米帶的光催化性能和氧化鈦P25相當(dāng)。 綜上所述，本研究提出"二氧化鈦納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)"的概念，采用光催化還原技術(shù)原位制備了貴金屬（Au、Ag）/ TiO2納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)；采用液相合成法制備了ZnO/TiO2納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)；采用酸溶液腐蝕方法制備ANP/ANB TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶和Ag/ANP/ANB TiO2雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶；采用不同表征手段對(duì)納米