專利名稱：一種二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明具體涉及一種二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法。
背景技術(shù)：
二氧化鈦作為一種半導(dǎo)體材料由于資源豐富成本低，無毒并在染料敏化太陽電池、光催化、氣體傳感器等應(yīng)用有優(yōu)異的性能而倍受關(guān)注，一維納米材料如納米線具有縱向的快速傳輸電子的通道從而有效減小電子在傳輸過程中的復(fù)合損失，對于納米顆粒，在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等方面顯示了很大的優(yōu)越性，因而對其進(jìn)行研究和加以應(yīng)用是著重要的意義的。目前制備二氧化鈦納米線陣列主要有水熱法、模板法和電沉積方法。水熱法是一種成本低廉和一種易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的一種方法。用水熱法制備二氧化鈦納米線主要有兩類方法一類是堿水熱法，通過二氧化鈦粉體或鈦金屬與氫氧化鈉反應(yīng)生成鈦酸鈉(Na2TiO3),再通過在稀鹽酸溶液中進(jìn)行離子交換，使氫離子置換鈦酸鈉中的鈉離子成為鈦酸，進(jìn)一步將鈦酸在高溫下熱處理可以生成二氧化鈦納米線[A. R. Armstrong, et al. Angew. Chem. , Int. Ed. 2004, 43，2286],操作過程復(fù)雜；另一類方法是利用一定濃度的鹽酸與鈦源(如鈦酸丁酯、四氯化鈦、鈦酸異丙酯)進(jìn)行水熱反應(yīng)，一般生成金紅石型二氧化鈦納米線陣列[B. Liu, E. S. Aydil, J. Am. Chem. Soc. 2009，131，3985. X. J. Feng, et al. Nano Lett. 2008，8，3781]。以上兩種方法都用到了強堿或強酸，操作相對危險，同時會對環(huán)境造成負(fù)面影響。因此有必要發(fā)展一種不用強酸和強堿的綠色合成二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，該方法工藝簡單、易于操作控制、成本低、無污染、不需用強酸和強堿。本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，含以下步驟
(1)取月桂酸、無水乙醇和去離子水混勻，再加入鈦源并劇烈攪拌后，得混合液；
(2)將混合液放入密閉的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于恒溫箱中，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為 100-230°C，反應(yīng)時間為1-100小時，反應(yīng)完冷卻至室溫；
(3)取出反應(yīng)釜中生成的薄膜，經(jīng)含洗滌和烘干的后續(xù)工序處理后，即制備得二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜。在上述步驟中
本發(fā)明步驟(1)中月桂酸與無水乙醇、去離子水的質(zhì)量體積比為0. Ol-IOg :l-20mL: l-60mL。本發(fā)明步驟(1)中所述的鈦源包括鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯、四氯化鈦、三氯化鈦和硫酸氧鈦中的一種或幾種，其中鈦源與月桂酸的體積質(zhì)量比為0. I-IOmL 0. Ol-IOgo
本發(fā)明步驟(1)中劇烈攪拌的時間為lOmin-lh。本發(fā)明步驟O)中所述反應(yīng)釜為設(shè)有塑料或玻璃內(nèi)襯的金屬殼體。本發(fā)明所述塑料包括聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚苯酯或聚酰胺。本發(fā)明步驟(3)中洗滌采用無水乙醇先后洗滌數(shù)次。本發(fā)明步驟(3)中烘干時的溫度為50_70°C，烘干時間為648h。本發(fā)明中所用的核心試劑月桂酸是一種應(yīng)用廣泛的表面活性劑，在食品添加劑、 香料工業(yè)、制藥、肥皂、洗滌劑及化妝品工業(yè)方面都有諸多應(yīng)用，因此是一種完全環(huán)保的試劑。本發(fā)明的反應(yīng)機理是由于月桂酸是典型的雙親分子，頭尾兩端的親和性截然不同，分子頭部是極性基因，親水；尾部是碳?xì)滏?，親油性，當(dāng)月桂酸同無水乙醇和水混合時候，會與水分層，并在界面處雙親性分子自動組裝成層狀，其中分子尾端指向油，而頭部指向水，有規(guī)律分布的雙親分子形成膠束，從而誘導(dǎo)鈦源與水反應(yīng)生成的二氧化鈦呈束狀的納米線陣列分布。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(1)相對于傳統(tǒng)用強酸和強堿合成二氧化鈦納米線的方法，本發(fā)明是一種軟化學(xué)以及綠色的合成方法；
(2)本發(fā)明合成方法工藝簡單、易于操作控制、成本低、無污染。


圖1是本發(fā)明實施例1中制備的二氧化鈦單晶納米線陣列薄膜的XRD圖譜； 圖2是本發(fā)明實施例1中制備的二氧化鈦單晶納米線陣列薄膜的掃描電鏡圖片；
圖3是本發(fā)明實施例1中制備的二氧化鈦單晶納米線陣列薄膜的低倍透射電鏡圖片； 圖4是本發(fā)明實施例1中制備的二氧化鈦單晶納米線陣列薄膜的高倍透射電鏡圖片。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本文明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍如反應(yīng)的鈦源、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和反應(yīng)成分的比例不局限于實施例所舉例。實施例1
(1)分別稱量Ig月桂酸、5mL無水乙醇和60mL去離子水在常溫條件下用磁力攪拌器攪拌均勻，制備的混合液備用；
(2)量取1mL鈦酸丁酯添加到步聚(1)的混合液中并持續(xù)劇烈攪拌1小時；
(3)將步聚(2)獲取的混合液放入到體積為100mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的密閉高溫高壓反應(yīng)釜中；
(4)將步聚(3)的密閉高溫高壓反應(yīng)釜放入到恒溫箱中，設(shè)定反應(yīng)溫度為120°C，反應(yīng)時間為12小時，反應(yīng)完畢后自然冷卻到室溫；
(5)將步聚(4)反應(yīng)釜打開后，取出薄膜用無水乙醇清洗數(shù)次，并放在恒溫箱中60°C條件下烘干M小時，合成的樣品為直徑4-5 nm組成的膜厚為45 Mm的二氧化鈦陣列薄膜，其 XRD圖譜見圖1，掃描電鏡圖片見圖2，低倍透射電鏡圖片見圖3，高倍透射電鏡圖片見圖4。實施例2(1)分別稱量Ig月桂酸、5mL無水乙醇和60mL去離子水在常溫條件下用磁力攪拌器攪拌均勻備用；
(2)量取1mL鈦酸丁酯添加到步聚(1)的混合液中并持續(xù)劇烈攪拌1小時；
(3)將步聚(2)獲取的混合液放入到100mL內(nèi)襯為聚四氟乙烯的密閉高溫高壓反應(yīng)釜
中；
(4)將步聚(3)的密閉高溫高壓反應(yīng)釜放入到恒溫箱中，設(shè)定反應(yīng)溫度為150°C，反應(yīng)時間為12小時，反應(yīng)完畢后自然冷卻到室溫；
(5)將步聚(4)反應(yīng)釜打開后，取出薄膜用無水乙醇清洗數(shù)次，并放在恒溫箱中60°C條件下烘干M小時，合成的樣品為直徑7-8 nm組成的膜厚為33 Mm的二氧化鈦陣列薄膜。實施例3
(1)分別稱量Ig月桂酸、5mL無水乙醇和60mL去離子水在常溫條件下用磁力攪拌器攪拌均勻備用；
(2)量取ImL四氯化鈦添加到步聚(1)的混合液中并持續(xù)劇烈攪拌1小時；
(3)將步聚(2)獲取的混合液放入到IOOmL內(nèi)襯為聚四氟乙烯的密閉高溫高壓反應(yīng)釜
中；
(4)將步聚(3)的密閉高溫高壓反應(yīng)釜放入到恒溫箱中，設(shè)定反應(yīng)溫度為180°C，反應(yīng)時間為12小時，反應(yīng)完畢后自然冷卻到室溫；
(5)將步聚(4)反應(yīng)釜打開后，取出薄膜用無水乙醇清洗數(shù)次，并放在恒溫箱中60°C條件下烘干M小時，合成的樣品為直徑9-10 nm組成的膜厚為25 Mm的二氧化鈦陣列薄膜。實施例4
(1)分別稱量O.Olg月桂酸、20mL無水乙醇和ImL去離子水在常溫條件下用磁力攪拌器攪拌均勻備用；
(2)量取0.1 mL鈦酸異丙酯添加到步聚(1)的混合液中并持續(xù)劇烈攪拌IOmin ；
(3)將步聚(2)獲取的混合液放入到內(nèi)襯為耐高溫玻璃的密閉高溫高壓反應(yīng)釜中；
(4)將步聚(3)的密閉高溫高壓反應(yīng)釜放入到恒溫箱中，設(shè)定反應(yīng)溫度為230°C，反應(yīng)時間為20小時，反應(yīng)完畢后自然冷卻到室溫；
(5)將步聚(4)反應(yīng)釜打開后，取出薄膜用無水乙醇清洗數(shù)次，并放在恒溫箱中70°C條件下烘干20小時，合成得二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜。實施例5
(1)分別稱量IOg月桂酸、ImL無水乙醇和IOmL去離子水在常溫條件下用磁力攪拌器攪拌均勻，制備得混合液備用；
(2)量取10mL三氯化鈦添加到步聚(1)的混合液中并持續(xù)劇烈攪拌30min;
(3)將步聚(2)獲取的混合液放入到內(nèi)襯為耐高溫高壓聚酰亞胺塑料的密閉高溫高壓反應(yīng)釜中；
(4)將步聚(3)的密閉高溫高壓反應(yīng)釜放入到恒溫箱中，設(shè)定反應(yīng)溫度為100°C，反應(yīng)時間為100小時，反應(yīng)完畢后自然冷卻到室溫；
(5)將步聚(4)反應(yīng)釜打開后，取出薄膜用無水乙醇清洗數(shù)次，并放在恒溫箱中50°C條件下烘干觀小時，合成得二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜。實施例6(1)分別稱量5g月桂酸、IOmL無水乙醇和30mL去離子水在常溫條件下用磁力攪拌器攪拌均勻，制備獲得混合溶液備用；
(2)量取5mL硫酸氧鈦添加到步聚(1)的混合液中并持續(xù)劇烈攪拌40min；
(3)將步聚(2)獲取的混合液放入到IOOmL內(nèi)襯為聚四氟乙烯的密閉高溫高壓反應(yīng)釜
中；
(4)將步聚(3)的密閉高溫高壓反應(yīng)釜放入到恒溫箱中，設(shè)定反應(yīng)溫度為200°C，反應(yīng)時間為8小時，反應(yīng)完畢后自然冷卻到室溫；
(5)將步聚(4)反應(yīng)釜打開后，取出薄膜用無水乙醇清洗數(shù)次，并放在恒溫箱中55°C條件下烘干沈小時，合成得二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜。 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，其特征是含以下步驟(1)取月桂酸、無水乙醇和去離子水混勻，再加入鈦源并劇烈攪拌后，得混合液；(2)將混合液放入密閉的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于恒溫箱中，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為 100-230°C，反應(yīng)時間為1-100小時，反應(yīng)完冷卻至室溫；(3)取出反應(yīng)釜中生成的薄膜，經(jīng)含洗滌和烘干的后續(xù)工序處理后，即制備得二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，其特征是步驟(1)中月桂酸與無水乙醇、去離子水的質(zhì)量體積比為0. Ol-IOg :l-20mL l-60mLo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，其特征是步驟(1)中所述的鈦源包括鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯、四氯化鈦、三氯化鈦和硫酸氧鈦中的一種或幾種，其中鈦源與月桂酸的體積質(zhì)量比為0. I-IOmL 0. Ol-IOgo
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，其特征是步驟(1)中劇烈攪拌的時間為IOmin-Ih0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，其特征是步驟O)中所述反應(yīng)釜為設(shè)有塑料或玻璃內(nèi)襯的金屬殼體。
6.6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，其特征是所述塑料包括聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚苯酯或聚酰胺。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，其特征是步驟(3)中洗滌采用無水乙醇先后洗滌數(shù)次。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，其特征是步驟(3)中烘干時的溫度為50-70°C，烘干時間為648h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜的合成方法，含以下步驟(1)取月桂酸、無水乙醇和去離子水混勻，再加入鈦源并劇烈攪拌后，得混合液；(2)將混合液放入密閉的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于恒溫箱中，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為100-230℃，反應(yīng)時間為1-100小時，反應(yīng)完冷卻至室溫；(3)取出反應(yīng)釜中生成的薄膜，經(jīng)含洗滌和烘干的后續(xù)工序處理后，即制備得二氧化鈦單晶金紅石納米線陣列薄膜。本發(fā)明采用的是無毒性原料，不用采用強酸和強堿條件，是一種工藝簡單、易于操作控制、成本低、無污染的綠色合成方法。
文檔編號C30B7/14GK102383180SQ20111032502
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者劉勇, 沈輝, 王曉悅, 鄧幼俊 申請人:中山大學(xué)