阳极氧化法制备二氧化钛纳米管

摘要

摘 要

一维二氧化钛纳米管由于其特殊的结构和优异的性能，在很多领域有重要的应用前景。二氧化钛纳米管的制备方法主要包括阳极氧化法、模板合成法以及水热合成等方法，其中阳极氧化法是一种简单制备高度有序二氧化钛纳米管阵列的重要方法。

本文在含氟的乙二醇电解液中采用恒压阳极氧化法在钛箔表面直接生成一层结构高度有序的高密度TiO2纳米管阵列。主要研究了阳极氧化条件(阳极氧化电压、反应时间、电解液组成)对制备TiO2纳米管阵列尺寸和形貌的影响, 探讨了多次氧化对纳米管形貌的改善。利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对所得TiO2纳米管阵列的性能进行了测试分析。结果表明，TiO2纳米管为非晶态，在空气中经400℃退火处理转变为锐钛矿型，550℃退火开始出现金红石相态；TiO2纳米管的孔径主要由氧化电压决定，随阳极氧化电压的升高纳米管的孔径变大, 纳米管的长度随反应时间延长而增长；多次氧化可明显改善纳米管尺寸规整性, 孔径大小更均一。最后，根据测试结果对TiO2纳米管阵列的形成机理进行了简单分析。

关键词：二氧化钛纳米管 阳极氧化 稳压 有机电解质

Abstract

Abstract

One-dimensional titania nanotubes have special structures and excellent

performances, which have important application in many fields. Nanotubes of titania have been fabricated by many different methods such as hydrothermal treatment, template-assistant deposition, anodic oxidation etc. Anodic oxidization is one of the most important methods to fabricate titania nanotubes. Here, High density, well ordered and uniform titania oxide nanotube arrays were fabricated through an anodization process in glycol electrolytes containing F on a pure titanium sheet. The influences of several synthesis parameters for the preparation of titania oxide nanotube such as anodizing potential, anodizing time and composition of the electrolyte on the micrograph of the material have been investigated. Multi-step anodization preparation procedure was also discussed. The microstructures and morphologies of the TiO2 nanotubes were studied by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) and the formation mechanism was also suggested. The results showed that the TiO2 nanotubes were amorphous. The titania nanotubes annealed at400 ℃ in air shows anatase phase. After 550 ℃, the anatase phase transformed to rutile phase gradually. The average tubes diameter increases with anodizing voltage. The average tubes length increases with time extension. The deviation of the tubes diameter reduced after multi-step anodizing.

Key words: TiO2 nanotubes Anodic oxidation Regulators Organic electrolytes

目录 i

目 录

第一章 绪论.........................................................1 1.1 引言..........................................................1 1.2 二氧化钛纳米管的结构、性能....................................1 1.2.1纳米材料的概述.............................................1 1.2.2一维纳米材料...............................................2 1.2.3一维二氧化钛纳米管的结构、性能.............................2 1.3 二氧化钛纳米管形成机理........................................2 1.4 二氧化钛纳米管的制备 .........................................3 1.4.1模板法.....................................................3 1.4.2水热法.....................................................4 1.4.2阳极氧化法.................................................5 1.5 二氧化钛纳米管的应用前景......................................8 1.5.1传感器.....................................................8 1.5.2光催化剂...................................................8 1.5.3电池.......................................................8 1.5.4光催化剂载体...............................................9 1.6 本章小结......................................................9 第二章 阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列............................11 2.1 样品制备.....................................................11 2.2 样品制备过程中的现象.........................................12 2.3 样品表征.....................................................12 第三章 实验结果与讨论..............................................13 3.1 二氧化钛纳米管阵列膜形貌表征.................................13 3.2 多次氧化对二氧化钛纳米管形貌的影响...........................15 3.3 阳极氧化电压对二氧化钛纳米管形貌的影响.......................16 3.4 反应时间对二氧化钛纳米管形貌的影响...........................16 3.5 有机电解液对二氧化钛纳米管形貌的影响.........................18 3.6 二氧化钛纳米管晶型分析.......................................19

ii 目录

3.7 二氧化钛纳米管生成机理.......................................20 3.8 本章小结.....................................................22 第四章 结束语......................................................23 致谢...............................................................25 参考文献...........................................................26

第一章 绪论 1

第一章 绪论

1.1 引言

二氧化钛(TiO2 ) 作为一种重要的无机功能材料，具有光敏、湿敏、气敏、光电等优越的性能，一直以来都是各领域研究的热点。二氧化钛纳米管是TiO2的存在形式之一，由于其具有高比表面积、高深宽比和尺寸依赖效应等特性，近年来越来越受到人们的关注。与TiO2 的其他存在形式相比,由于其特殊的管状阵列结构，TiO2 纳米管表现出更高的光催化能力，并且提高了光电转换效率，在太阳电池 、光解水制氢 、光催化降解有机污染物 、生物医学以及传感器等领域有着重要的发展前景。

利用化学方法制备管径均一，长度、层数可控的TiO2纳米管，研究其理化性

质及转变机理，探索纳米管用作高效光催化剂等方面的特殊应用以及利用TiO2纳米管制备半导体- 半导体、金属- 半导体等特殊复合纳米管状材料，将具有重大的科研及现实意义。目前，发达国家如美国、德国、日本等对TiO2纳米管研究进行大力资助，我国对TiO2 纳米管研究资助力度也显著增强，其中有国家自然科学基金(包括重大基础基金) 、国家“863”计划、“973”计划等；在纳米管制备方面国外倾向于阳极氧化蚀刻法，而国内多倾向于水热合成法。不过，到目前为止，TiO2 纳米管还仅限于基础研究，离真正实际应用还有很长的路要走。

1.2.二氧化钛纳米管的结构、性能

1.2.1 纳米二氧化钛概述

纳米级结构材料简称为纳米材料(nonmaterial)，是指其结构单元的尺寸介

于1纳米～100纳米范围之间纳米材料，它是2 0世纪80年代中期发展起来的一种具有全新结构的材料，由于其独特的结构特性，使其在光学、电学、磁学、催化以及传感器等方面具有广阔的应用前景，纳米结构有零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝、二维纳米膜、纳孔膜、三维纳米相材料。研究发现过渡金属氧化物纳米管在催化、吸附、单电子晶体管、分子吸管等方面有着潜在的应