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，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?；蛘弑∧さ男问酱嬖冢瑢τ诙趸伡{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法滿足實際應(yīng)用要求。因此，本研究在采用水熱法實現(xiàn)批量制備高質(zhì)量二氧化鈦納米帶的基礎(chǔ)上，通過對其改性，制得二氧化鈦納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對納米帶性能的調(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、傳感器等幾個方面的應(yīng)用。 隨著器件制備技術(shù)的顯著進步，人們實現(xiàn)了單根納米帶性能的測量，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值昂貴的設(shè)備，其制造成本使得這些傳感器幾乎無法投入市場。本研究提出了采用普通的造紙原理將氧化物納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驗室走向?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、利用水熱法實現(xiàn)了Na2Ti3O7、H2Ti3O7和TiO2納米帶的批量合成。通過XRD、TEM、SEM等手段對所制備的納米帶進行表征。結(jié)果表明：納米帶寬度為50～200nm，長度達到幾十微米，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，無缺陷。納米帶的形成機制為“溶解一結(jié)晶”機制。首先TiO2被NaOH溶液在水熱條件下溶解，然后結(jié)晶生長，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iO2納米帶。 2、將制備的氧化鈦基納米帶采用普通的造紙原理得到了厚度一致的柔性納米結(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TiO2、H2Ti3O7和Na2Ti3O7納米結(jié)構(gòu)紙的電子傳輸性能進行了檢測，其可測的I-V行為說明了納米結(jié)構(gòu)紙在傳感器方面的潛在應(yīng)用。研究了TiO2納米帶結(jié)構(gòu)紙張對O2的敏感性，結(jié)果表明，氧化鈦納米結(jié)構(gòu)紙表現(xiàn)出了對氧氣的超敏感性。通過抗菌實驗測

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，將在無菌過濾和空氣過濾方面具備應(yīng)用前景。 3、通過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XRD、TEM、SEM、XPS等手段對樣品進行表征，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，制備工藝簡單，表面潔凈無污染，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，并對其電化學(xué)性能進行了研究。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于巰基的檢測表現(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，長度達到幾十微米，而Z

9、nO異質(zhì)結(jié)呈花狀，長為500納米的骨苞上長有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。對所制得的樣品通過XRD、TEM、HRTEM和UV-Vis光譜進行了表征。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)過處理的TiO2納米帶；通過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24h腐蝕的異質(zhì)結(jié)構(gòu)ANP/ANB Ti

11、O2納米帶和經(jīng)過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納米