阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列及其表征
阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列及其表
征
一、实验目的
1.掌握纳米管阵列的制备方法。
2.学习并了解阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列的原理及其表征。
二实验原理
纳米二氧化钛是一种重要的无机功能材料，具有良好的光电、湿敏，气敏、压敏等特性，在传感器，光催化降解污染物、太阳能电池、生物医药等高科技领域有重要的应用前景，已成为国内外竞相研究的热点之一。由于TiO2纳米管具有较大的比表面积、比管阵列、比表面能和较强的吸附能力，引起各国研究者的广泛关注。
TiO2纳米管的制备方法主要有化学处理法、模板法和阳极氧化法。目前，越来越多的研究者将目光转向阳极氧化法制备TiO2纳米管。与化学处理法相比，阳极氧化TiO2纳米管阵列具有操作简单、可控性好、纳米管排列紧密和不易脱落等优点。
室温下在1mol/L NaHSO4 + 01mol/L NaF溶液中用以10V电压阳极氧化钛时的电流-时间（I -t）曲线图如图41.1所示。根据I -t曲线中的电流变化特征，可大致将整个氧化过程划分为三个阶段：（Ⅰ）初始氧化膜的形成阶段、（Ⅱ）多孔氧化膜形成的阶段、（Ⅲ）纳米管阵列的形成与稳定生长阶段。在第Ⅰ阶段初期，主要发生如下三个反应：
H2O →2H++O2_
Ti—4e→Ti4+
Ti4+ + 2O2_→TiO2
施加电压的瞬间，阳极表面附近富集水电离产生的O2_。同时，由于电阻电流较大，Ti 迅速溶解，产生大量的Ti4+。溶解产生的Ti4+与O2_迅速反应，在阳极表面形成致密的高阻值的初始氧化膜，导致回路电流呈指数性快速下降。
初始氧化膜形成后O2_跨过电解液/氧化膜界面，在电场力的驱动下向基体迁移，在氧化膜/金属界面处与钛反应生成氧化物，实现场致氧化生长。
Ti + 2O2_→TiO2 + 4e
TiO2形成反应可以写为：
Ti + 2H2O→TiO2 +4H+ + 4e
由于电场的极化作用消弱了氧化膜Ti-O键的结合力，导致与O2_键合的Ti4+越过氧化膜/电解液界面与F-结合变得容易，发生了场致溶解。同时，氧化膜的化学溶解过程也在进行：TiO2 +6F- +4H+→TiF2-6 + 2H2O
金属钛被氧化后，在初始氧化膜中存在内应力。同时，氧化膜中还存在电致伸缩应力、静电力。盈利促使少量的TiO2由非晶态转化为晶态。膜层的成分、膜层中的应力与结晶，造成膜层表面的能量分布不均，引起溶液中的F-在高能部位并强烈溶解该处氧化物，导致氧化膜表面凹凸不平。凹处氧化膜薄，电场强度高，氧化膜溶解快，形成孔核。孔核又因持续进行的场致溶解和化学溶解过程而扩展为小孔。
在小孔的生长初期，小孔底部氧化层比空间氧化层薄，因此承受更高强度的电场。强电场O2-快速移向基体进行氧化反应，同时也使氧化物加速溶解，故小孔底部氧化层与空间氧化层以不同的速率向基体推进，导致原来较为平整的氧化膜/金属界面变得凹凸不平。随着
小孔的生长，孔间未被氧化的金属上凸起，形成峰状，导致电力线集中，增强了电场，使其顶部氧化膜加速溶解，产生小空腔。小孔腔逐渐加深，将连续的小孔分离，形成有序独立的纳米管阵列结构。
图41.2（b）-（e）的过程包括了孔核、小孔和小空腔的形成，对应多孔膜的形成阶段，即第Ⅱ阶段。多空层底部的氧化膜由于化学溶解作用而逐渐减薄，场致氧化作用增强，导致第Ⅱ阶段中电流逐渐上升。随着氧化时间的延长，小孔和小空腔加深，F- 浓度从小孔或小空腔导致空腔顶端至底部逐渐降低，减缓了阻挡层的溶解，导致阻挡层变厚。此时阻挡层内电场强度减小，电流上升受阻，并且造成O2-迁移速率降低，阻挡层生长缓慢，最终其生长速率等于溶解速率，阻挡层厚度基本不变，电流趋于稳定，进入纳米管阵列的稳定生长阶段。
三、实验设备及材料
1.实验设备：电子天平，数显恒温水浴锅，电动搅拌器，循环水式真空泵，马弗炉，比表面测定仪，扫描电子显微镜，X射线衍射仪，拉曼光谱，紫外-可见漫反射光谱，荧光光谱，电化学工作站和玻璃容器。
2.实验材料：氢氟酸，无水乙醇，浓硝酸，丙酮，工业纯钛片（纯度99.9%），去离子水。
四实验内容与步骤
（一）二氧化钛纳米管阵列的阳极氧化制备
1.阳极试样的预处理
选用工业纯钛，制成20mm X 10mm的长方形试样，用300＃、600＃/、1000＃的砂纸分别打磨抛光，使表面无划痕，再用去离子水超声清洗，然后分别用无水乙醇、丙酮超声清洗表面15min，去除钛片表面的油污，最后用去离子水冲洗表面。将去油污的Ti片用体积比为1:1的HNO3和HF 的混合溶液抛光，然后再用去离子水冲洗表面，烘干待用。
2.阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列
采用电化学工作站，分别将钛片和铂片与直流稳压电源的正负极连接，电解液为0.2%（质量分数）氢氟酸的无水乙醇溶液，加载电压为20V。整个实验在持续搅拌下进行，阳极氧化过程，钛片表面的颜色变化较大，紫色→蓝色→浅蓝→浅红。电解30min后，将样品洗净，阳极氧化法得到的TiO2薄膜呈非晶态，放入马弗炉中，以5℃/min升温至500℃，恒温60min后，随炉冷却至室温，得到TiO2纳米管阵列
（二）阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列性能测试
1.晶体结构测试：采用X射线衍射仪研究二氧化钛纳米管阵列的晶体结构。
2.比表面积测试：利用比表面积仪测定二氧化钛纳米管阵列的比表面积。
3.形貌观察：采用扫描电子显微镜观察二氧化钛纳米管阵列的形貌。
4.光学性能测试:采用紫外-可见漫反射（DRS）和荧光光谱（PL）进行研究。
五、实验结果与讨论
1.按上述内容书写实验报告。
2.改变电解液的温度、电解液浓度、电压、焙烧温度等实验条件，研究其对二氧化钛纳
米管阵列结构和性能的影响。
六、问题与讨论
1.影响二氧化钛纳米管阵列制备及其性能的因素有哪些？各影响因素的作用是什么？
2.如何改变或调整二氧化钛纳米管阵列尺寸？
纳米二氧化钛的制备.docx
纳米二氧化钛的制备及其光催化活性的评价 实验报告 班级： 组别：指导老师: 小组成员:
实验目的： 1. 培养小组自主设计及完成实验的能力和合作能力。 2. 了解纳米二氧化钛的粒性和物性。 3. 掌握溶胶－凝胶法合成TiO2 的方法。 4. 研究二氧化钛光催化降解甲基橙和亚甲基蓝水溶液的过程和性质。 5. 通过实验，进一步加深对基础理论的理解和掌握，做到有目的合成，提高实验思维 与实验技能。 一、溶胶凝胶法制备二氧化钛 1 实验原理：纳米粉体是指颗粒粒径介于1?100 nm之间的粒子。由于颗粒尺寸的微 细化，使得纳米粉体在保持原物质化学性质的同时，与块状材料相比，在磁性、 光吸收、热阻、化学活性、催化和熔点等方面表现出奇异的性能。 纳米Tiθ2具有许多独特的性质。比表面积大，表面张力大，熔点低，磁性强，光吸收性能好，特别是吸收紫外线的能力强，表面活性大，热导性能好，分 散性好等。基于上述特点，纳米Tiθ2具有广阔的应用前景。利用纳米Tiθ2作光 催化剂，可处理有机废水，其活性比普通Tiθ2(约10 μm)高得多；利用其透明性 和散射紫外线的能力，可作食品包装材料、木器保护漆、人造纤维添加剂、化妆 品防晒霜等；利用其光电导性和光敏性，可开发一种Tiθ2感光材料。如何开 发、应用纳米Tiθ2,已成为各国材料学领域的重要研究课题。目前合成纳米二氧 化钛粉体的方法主要有液相法和气相法。由于传统的方法不能或难以制备纳米级 二氧化钛，而溶胶-凝胶法则可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活 性大的单组分或多组分分子级纳米催化剂[1 ?3]，因此，本实验采用溶胶-凝 胶法来制备纳米二氧化钛光催化剂。 制备溶胶所用的原料为钛酸四丁脂(Ti(O-C4H9)4)、水、无水乙醇 (C2H5θH)以及冰醋酸。反应物为Ti(O-C4H9)4和水，分相介质为C2H5OH，冰 醋酸可调节体系的酸度防止钛离子水解过速。使Ti(O-C4H9)4 在C2H5OH中水解生成Ti(OH)4,脱水后即可获得TiO2。在后续的热处理过程中， 只要控制适当的温度条件和反应时间，就可以获得金红石型和锐 钛型二氧化钛。 钛酸四丁脂在酸性条件下，在乙醇介质中水解反应是分步进行的，总水解
纳米二氧化钛的制备方法及形貌特征
纳米二氧化钛的制备方法及形貌特征 盛丽雯重庆交通大学应用化学08300221 摘要：纳米二氧化钛以其优异的性能成为半导体光催化剂的杰出代表，探寻优良的二氧化钛制备工艺有着重要的现实意义。本文主要介绍了近年来国内外纳米二氧化钛制备工艺的研究状况，根据反应体系的物理形态将制备工艺分成气相、液相、固相三大类进行阐述，在此基础上分析比较了不同制备工艺的优缺点，最后展望了今后的发展方向。 关键词：纳米二氧化钛、制备方法、形貌特征。 1 纳米二氧化钛的制备方法 1．1 气相法 气相水解法利用氮气、氧气或空气作载气，把TiC1 或钛醇盐蒸气和水蒸气分别导人反应器，进行瞬间混合快速水解反应。通过改变各种气体的停留时间、浓度、流速以及反应温度等来调节纳米TiO的晶型和粒径。该方法制得的产品纯度高、分散性好、表面活性大，操作温度较低，能耗小，且对材质纯度要求不是很高，可实现连续生产；但控制过程复杂，并且直接影响着产品的晶型和粒径。气相氧化法是以TiC1 为原料，氧气为氧源，氮气作为载气的氧化反应，反应经气、固分离后制得纳米TiO：。该法制得的产品纯度高、分散性好；但设备结构复杂，材料要求耐高温、耐腐蚀，自动化程度高，研究开发难度大。气相氢氧火焰法以TiC1 ，H2，O：为原料，将TiC1 气体在氢氧焰中(700～1 000℃)高温水解制得纳米TiO。产品一般是锐钛型和金红石型的混晶型，产品纯度高、粒径小、表面活性大、分散性好、团聚程度较小，自动化程度高；但所需温度高，对设备材质要求较高，对工艺参数控制要求精确。气相热解法以TiC1 为原料，在真空或原料惰性气氛下加热至所需温度后，导入反应气体，使之发生热分解反应，最后在反应区沉积出纳米TiO。产品化学活性高、分散性好，可以通过控制反应气体的浓度和炉温来控制纳米TiO的粒径分布；但投资大、成本高。 1．2 液相法 溶胶一凝胶法以钛醇盐Ti(OR) 为原料，经水解与缩聚过程而逐渐凝胶化，再经低温干燥、烧结处理即可得到纳米TiO粒子。该法制得的产品纯度高、粒径小、尺寸均匀、干燥后颗粒自身的烧结温度低；但原料价格昂贵、生产成本高，凝胶颗粒之间烧结性差，产物干燥时收缩大。化学沉淀法将沉淀剂加入TiOSO，H TiO，或TiC1 溶液中，沉淀后进行热处理。该法工艺过程简单，易工业化，但易引入杂质，粒度不易控制，产物损失多。水解法以四氯化钛或钛醇盐为原料，经水解、中和、洗涤、烘干和焙烧制得纳米TiO。该法制得的产品纯度高、粒径均匀；但水解速度快、反应难控制、成本大、能耗高、难以工业化生产。水热法以TiOSO，TiC14或Ti(OR)4为原料，高温高压下在水溶液中合成纳米TiO。该法制得的产品纯度高、粒径分布窄、晶型好；但对设备要求高、能耗较大、操作复杂、成本偏高。在综合对比研究了纳米二氧化钛的各种制备方法后，提出了利用偏钛酸原料廉价易得的特点，简化工艺过程，采用化学沉淀法来制备纳米TiO的工艺方案，并进行了长时间的中试，现就该工艺的特点及中试过程中所遇到的问题进行阐述。 1 气相法制备二氧化钛 气相法一般是通过一些特定的手段先将反应前体气化，使其在气相条件下发生物理或化学变化，然后在冷却过程中成核、生长，最后形成纳米TiO2颗粒。 1.1 化学气相沉积法
二氧化钛纳米管的制备与应用概要
2012 /2013 学年第 2 学期环保材料课程考核试卷 A■、B□ 课程代码： 17000450 任课教师_施文健考试形式：开卷■、闭卷□ 课程性质：通识□、基础□、专业■、必修■、选修□、考试□、考查■、指选□、跨选□适用年级/专业二年级/环境工程学分/学时数 2/32 考试时间1周…………………………………………………………………………………………………………学号1117030320 姓名陈柱良专业环境工程得分 撰写小论文：环境工程材料――×××研究进展 学生通过对应用于防止、治理、修复环境污染的材料，包括净化材料、环境修复材料以及环境替代材料等材料中就某一种具体的环境工程材料的研究进展进行综述。学生的工作由国内外文献检索、阅读、归纳总结、并对该研究领域进行展望、小论文写作组成。小论文内容：题目、前言（目的意义）、国内外研究现状包括：材料的制备方法、材料表征、理化性能、在环境工程中的应用，写出学生自己的学习后的认识、观点或展望在该领域研究方向及应用前景。具体要求：查阅的中文文献≥10篇、英文文献≥5篇、小论文字数5000字左右、列出参考文献。
二氧化碳纳米管的制备与应用 前言： 纳米TiO 2是一种重要的无机功能材料,多呈颗粒状，它在环境光催化领域作为催化剂已引起广泛重视[1,2]。由于其具有无毒、气敏、湿敏、介电效应、光电转换、光致变色及催化活性高、氧化能力强、稳定性好等优点[3,4]而被广泛应用于各种光催化反应技术中,如自洁材料、介电材料、催化剂极载体、传感器、光催化太阳能电池、光裂解水制氢以及光催化降解大气和水中污染物等领域。Ti02纳米管是其又一种存在形式，纳米Ti02在光催化降解水中有机污染物方面有明显的优势[5]，而且还能够解决汞、铬、铅等金属离子的污染问题。由于纳米管具有大的比表面积，因而具有较高的吸附能力，可望提高其光催化性能；特别是若能在管中填充更小的无机、有机、金属或磁性纳米级颗粒形成一维复合纳米材料，将会大大改善Ti02的光电、电磁、催化及抗菌等性能。目前,对TiO 2纳米薄膜、纳米粉体及掺杂改性的纳米TiO 2复合材料的制备、结构相变及其应用已进行了大量研究。但对于TiO 2纳米管的光电性能、催化性能及其应用的研究还处于起步阶段。TiO 2纳米管是纳米TiO 2的一种新的存在形式,与其他形态的纳米TiO 2材料相比,它具有更大的比表面积和更强的吸附能力,有望进一步提高TiO 2的光电转换效率和光催化性能,特别是若能在该纳米管中掺杂部分无机、有机、金属或者磁性材料而制备出复合纳米材料,则TiO 2纳米管的光电性能和催化活性将得到大大的改善。
【CN109930134A】一种引入掩膜板制备二氧化钛纳米棒阵列的方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910319448.2 (22)申请日 2019.04.19 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南 路932号 (72)发明人 姜超 余延涛 王春齐 黄小忠 杜作娟 (74)专利代理机构 长沙永星专利商标事务所 (普通合伙) 43001 代理人 何方 (51)Int.Cl. C23C 18/06(2006.01) C23C 18/12(2006.01) C23C 28/00(2006.01) B82Y 40/00(2011.01) C23C 14/18(2006.01)C23C 14/24(2006.01) (54)发明名称一种引入掩膜板制备二氧化钛纳米棒阵列的方法(57)摘要本发明公开了一种引入掩膜板制备二氧化钛纳米棒阵列的方法，包括以下步骤：(1)将掩模板固定于基底材料表面，四周密封；(2)在基底上形成诱导层，然后去除掩模板；(3)将带图案诱导层的基底放入水热反应釜中，在水热反应中诱导生长与基底图案一致的二氧化钛纳米棒阵列；(4)对二氧化钛纳米棒阵列间隙进行选择性填充，采用真空蒸镀工艺，对二氧化钛纳米棒阵列制作上电极，得到用于传感器、能源存储单元或者电子电路的器件。本发明通过引入掩模板，生长导电诱导层，从而控制二氧化钛纳米棒阵列的垂直生长，防止二氧化钛纳米棒发生倾斜和搭接，得到多种图案规则排布的阵列结构，满足能源存储器件，特殊传感器和电子电路器件对二氧 化钛结构的质量要求。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 109930134 A 2019.06.25 C N 109930134 A
纳米二氧化钛的制备及性质实验
南京信息工程大学综合化学实验报告 学院：环境科学与工程学院 专业：08应用化学 姓名：章翔宇 潘婷 袁成 钱勇 2010年6月25号
纳米二氧化钛的制备及性质实验 1、实验目的 熟悉溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛的方法及相关操作； 理解二氧化钛吸附实验的原理和操作； 掌握数据处理的方法 2、溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛 2.1 需要的仪器 恒压漏斗、茄行烧瓶、量筒、移液管、铁架台、磁力搅拌、磁子、冷凝管、温度计、烘箱、研钵 2.2 需要的试剂 钛酸丁酯异丙醇浓硝酸蒸馏水 2.3 实验步骤 1.50ml钛酸丁酯溶16ml的异丙醇中，摇匀（在恒压漏斗中进行） 得到溶液A 2.取200ml 的蒸馏水，加入0.32 ml 的浓硝酸，摇匀（在茄行烧瓶中进行），得到 溶液B 3.将烧瓶固定在铁架台上，进行磁力搅拌，将溶液A 逐滴滴加至溶液B中，使两溶液 缓慢接触，并进行水解反应，得到溶液C 溶液C室温回流，记载下当时的室温 4.回流分若干天进行，保证回流时间不少于48小时，得到溶液D 5.蒸干方式：将溶液D进行水浴加热85度并不断搅拌将水分蒸发干，得E 6.将E放入烘箱100烘干 7.研磨至粉末状； 2.4 实验结果 1、回流分4天进行，总计回流时间50小时，室温为15℃。 2、经研磨，得到白色细粉末状固体。称量得二氧化钛质量为11.233g,理论产量不小于11.785g，损失为产品转移过程中损失。 3、纳米二氧化钛性质实验 3.1 二氧化钛吸附试验 1、仪器：烧杯（500mL），容量瓶（1000mL），样品瓶（6个），电子天平，磨口瓶，超 声波清洗机，玻璃注射器，过滤器，分光光度计 2、试剂：二氧化钛粉末，染料X-3B（分子量615），蒸馏水 3、实验步骤： 1、用电子天平称取60mg染料，配成1000mL的60mg/L溶液（避光保存）。 2、将烧杯润洗后，倒入100ml染料溶液，再倒入称量好的50mg的二氧化钛粉末。 静置后置于超声波清洗机中（70℃超声40分钟，注意避光）。剩余原液取样保存编
纳米二氧化钛的制备
纳米二氧化钛的制备及其光催化活性评价 实 验 报 告 组别：第七组 组员：曲红玲高晗 班级：应121-2 指导老师：翁永根老师
纳米二氧化钛的制备及其光催化活性评价 一、实验目的 1、掌握利用简单的原料制备纳米材料的基本方法和原理。 2、了解二氧化钛的应用和多种制备方法的优缺点。 3、了解纳米半导体材料的性质。 4、了解纳米半导体光催化的原理。 5、掌握光催化材料活性的评价方法。 二、实验原理 二氧化钛，化学式为2TiO ，俗称钛白粉。多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线消毒及杀菌。以纳米级2TiO 为代表的具有光催化功能的光半导体材料，因其颗粒细小、比表面积大而具有常规材料所不具备的优点，以及较高的光催化活性、高效的光点转化性能等，在抗菌除雾、空气净化、废水处理、化学合成及燃料敏化太阳能电池等方面显出广阔的应用前景。 1、纳米二氧化钛的制备 纳米二氧化钛的制备方法有很多。主要分为两类：一类是液相法合成，包括液相沉淀法、液相凝胶法、醇盐水解法、微乳液法及水热法；另一类是气相法合成，包括四氯化钛氢氧焰水解法、四氯化钛气相氧化法、钛醇盐气相氧化法、钛醇盐气相水解法、钛醇盐气相热解法。其中，溶胶凝胶法是近年来制备二氧化钛广泛使用的方法。本试验采用溶胶凝胶法制备二氧化钛。 溶胶凝胶法中，反应物为水、钛酸四丁酯，分相介质为乙醇，冰醋酸可调节体系的酸度防止钛离子水解过度，使钛酸四丁酯在无水乙醇中水解生成()4OH Ti ，脱水后即可得到2TiO 。在后续的热处理过程中，只要控制适当的温度条件和反应时间，就可以得到二氧化钛。 在以乙醇为溶剂，钛酸四丁酯和水发生不同程度的水解反应，钛酸四丁酯在酸性条件下，在乙醇介质中水解反应是分步进行的。 一般认为，在含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网状基团。上述溶胶体系静置一段时间后，由于发生胶凝作用，最后形成稳定的凝胶。此过程中涉及的反应为： ()()OH H C OH Ti O H H OC Ti 944249444+=+ ()()OH H C TiO H OC Ti OH Ti 942494442+=+ ()O H TiO OH Ti 2242+? 2、光催化活性评价 光触媒在光照条件下（可以是不同波长的光照)所起到的催化作用的化学反应，通称为光反应。光催化一般是多种相态之间的催化反应。 本次试验是进行紫外光催化活性评价，分别通过测量在亚甲基蓝和甲基橙中，反应前
硅纳米管的水热法合成与表征
第26卷 第8期2005年8月 半 导 体 学 报 CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORS Vol.26 No.8 Aug.,2005 3教育部博士点基金资助项目(批准号:20040532014) 裴立宅 男,1977年出生,博士研究生,从事硅及相关纳米材料的研究.Email :lzpei1977@https://www.wendangku.net/doc/b19079152.html, 唐元洪 通信联系人,男,1965年出生,教授,博士生导师,从事纳米信息材料的研究.Email :yhtang @https://www.wendangku.net/doc/b19079152.html, 2004212214收到,2005201224定稿 Ζ2005中国电子学会 硅纳米管的水热法合成与表征 3 裴立宅 唐元洪 陈扬文 郭 池 张 勇 (湖南大学材料科学与工程学院,长沙 410082) 摘要:采用水热法成功合成了新型的硅纳米管一维纳米材料,并采用透射电子显微镜、选区电子衍射分析、能量色散光谱及高分辨透射电子显微镜对合成的硅纳米管进行了表征.研究表明硅纳米管是一种多壁纳米管,为立方金刚石结构,生长顶端呈半圆形的闭合结构,由内部为数纳米的中空结构,中部为晶面间距约0131nm 的晶体硅壁层,最外层为低于2nm 的无定形二氧化硅等三部分组成.关键词:硅纳米管;水热法;结构;表征 PACC :6146;8160C 中图分类号:TN30411 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)0821562205 1 引言 自从碳纳米管[1]及硅纳米线[2,3]等一维纳米材 料被成功合成后,立刻引起了诸多领域科学家的极大关注与浓厚兴趣,一维纳米材料的研究成为了当今基础和应用研究的热点.碳纳米管能否具有金属或半导体特性取决于纳米管的石墨面碳原子排列的螺旋化方向[4,5],然而到目前为止,还没有人成功制备出金属或半导体碳纳米管,因此虽然碳纳米管作为场效应晶体管(FET )及纳米电子集成电路的研究已有报道[6,7],但是碳纳米管在应用上还有很大的局限性.同时由于硅纳米一维材料与现有硅技术极好的兼容性,使其具有代替碳纳米管的潜力.目前已经采用物理及化学方法成功合成了硅的实心一维纳米材料———硅纳米线[8,9],但是由于元素硅的硅键为sp 3杂化,而不是易于形成管状具有石墨结构的sp 2杂化,所以硅的中空一维纳米材料,硅纳米管难于合成.因此,目前在硅纳米管,尤其是自组生长的硅纳米管的合成方面仍是一个极具挑战性的难题.对硅纳米管模型进行理论研究表明硅纳米管可以稳定存在,同时也发现稳定的硅纳米管结构总是具有 半导体性能[10,11].最近Sha 等人[12]以纳米氧化铝沟道(NCA )为衬底模板,以硅烷为硅源、金属Au 为催化剂,于620℃,1450Pa 时通过化学气相沉积催化生长了直径小于100nm 的硅纳米管;J eong 等人[13]在617×10-8Pa 的真空分子束外延生长(MB E )室中于400℃在氧化铝模板上溅射硅原子或硅团簇,并于600或750℃氧化处理后制备了直径小于100nm 的硅纳米管.虽然目前模板法可以制得硅纳米管,但是此法制备过程较复杂,需要模板及金属催化剂,同时实质上所得硅纳米管是硅原子在模板内壁无序堆积形成的. 水热法是制备纳米粉末的常用方法,对于制备具有一维结构的纳米材料鲜有报道.水热法成功合成了碳纳米丝及碳纳米管[14,15]表明,此法在制备一维纳米材料方面也有极大的应用潜力.水热法具有成本低廉、容易操作控制及可重复性好等特点.本文报道在没有使用催化剂及模板的前提下,采用高压反应釜,在超临界水热条件下合成了自组生长的一维纳米硅管,并用TEM ,EDS ,SA ED 和HR TEM 对其结构及成分进行了表征.这是一种真正意义上的硅纳米管,对于组装纳米器件具有重大的应用与研究意义.
碳纳米管复合材料的制备_表征和电化学性能
第11卷 第2期2005年5月 电化学 ELECTROCHE M ISTRY V o.l 11 N o .2M ay 2005 文章编号:1006-3471(2005)02-0152-05 收稿日期:2004-11-02,*通讯联系人T el :(86-592)2185905,E -m a il :qfdong @x m u .edu .cn 973项目(2002CB211800),国家自然科学基金(20373058),福建省科技项目(2003H 044)资助 碳纳米管复合材料的制备、表征和电化学性能 董全峰* ,郑明森,黄镇财,金明钢,詹亚丁,林祖赓 (厦门大学化学系,厦大宝龙电池研究所,固体表面物理化学国家重点实验室,福建厦门361005) 摘要: 作为锂离子电池负极材料,碳纳米管和金属锡或其氧化物都曾引起过人们浓厚的兴趣,但由于其自 身的缺陷,这些材料均未能得到进一步的发展.本文以不同方法合成了碳纳米管和金属锡或其氧化物的复合材料,对其结构、形貌进行表征,并考察它的电化学性能. 关键词: 碳纳米管; 复合材料;制备;电化学性能中图分类号: O 646;T M 911 文献标识码: A 碳纳米管(CNT )是一种新型的碳材料[1,2] .碳纳米管在结构上与其它的碳材料有很大的不同,它不仅具有典型石墨层状结构(管壁),同时又具有无序碳的结构(内外表面的碳层及所附着的无序碳微粒),还具有与MC MB 类似的内腔结构,而且表面及边缘又存在结构缺陷,管与管之间为纳米间隙,管中还存在部分的H 原子掺杂.在制备上,碳纳米管可以通过控制一定的反应条件来调控它的几何结构参数,如管的管壁,外径、内径大小,及管的长度.基于其特殊的结构和高的导电率,吸引了众多研究者开展了大量研究工作,希望它能成为新一代锂离子电池“理想”的负极材料[3,4] . 由于碳纳米管的高比表面及其结构缺陷,锂不仅能嵌入管中的石墨层,还能嵌入它的孔隙及边缘缺陷中,使得它尽管具有高的嵌锂容量,但由于比表面积较大而表现出很大的不可逆容量.又因为在碳纳米管的结构中含有氢原子以及管壁层间和管 腔之内有间隙碳原子的存在[5] ,故其嵌锂容量出现较大的滞后现象.这些都限制了C NT 作为电极活性材料在实际中的应用,所见者只是被用作电极添加剂的报道.本文综合了碳纳米管和锡基材料的优点,规避其本身固有的缺陷,在碳纳米管的表面沉积/包覆锡或氧化锡形成CNT 复合材料,这样不仅可减少碳纳米管的比表面积,同时直接采用金属锡取代锡基氧化物,不存在氧化物的还原过程,从 而大大降低初次充电不可逆容量损失;通过控制反应条件在表面沉积过程中包覆纳米级的锡,使表面沉积/包覆锡的碳纳米管能在保持高容量的同时,也具有良好的循环寿命.此外,还提高了它的体积能量密度. 1 实 验 1.1 碳纳米管的制备 应用Sol -ge l 法制备N i -M g -O 催化剂,方法见文献[6],所用试剂N i (NO 3)2 6H 2O 、M g (NO 3)2 6H 2O 和柠檬酸均为分析纯(上海化学试剂有限公司).将制备好的催化剂称取一定量置于陶瓷舟内,放在反应器的恒温区内,于氢气氛下缓慢升温至700℃,还原一段时间后,降温到600℃稳定10m in ,然后以20m L /m i n 的流量导入C H 4气体,经反应一定时间后自然冷却至室温(冷却过程中继续通气体).用分析纯硝酸(上海化学试剂有限公司,AR 65%)处理反应后的样品,洗涤、烘干后即得到碳纳米管.反应装置是在一个水平放置的管式电炉内放一内径为5c m 的石英管(长140c m ),其恒温区为20c m ,电炉为SK -2-4-12型管式电阻炉(上海实验电炉厂),额定功率4k W ,额定温度1200℃,控温装置为A1-708P A 型程序控温仪(厦门宇光电子技术研究所),流量计为D08-4C /Z M 质量流量控制仪(北京建中机器厂).
二氧化钛纳米阵列的制备及其气敏性能研究
Chinese Science Bulletin ? 2008 SCIENCE IN CHINA PRESS Springer https://www.wendangku.net/doc/b19079152.html, | https://www.wendangku.net/doc/b19079152.html, | https://www.wendangku.net/doc/b19079152.html, Chinese Science Bulletin | May 2008 | vol. 53 | no. 9 | 1352-1357 Preparation and hydrogen gas sensitive characteristics of highly ordered titania nanotube arrays JI HuiMing ?, LU HuiXiang, MA DongFang, YU JianJun & MA ShiCai Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology of Ministry of Education, School of Materials of Tianjin University, Tianjin 300072, China In this paper, we report the growth and characteristics of titania nanotube arrays prepared by anodic oxidation and then annealed in an oxygen atmosphere at 500℃. The titania nanotube arrays presented high sensitivity to hydrogen gas. The crystalline phase of the samples was checked by X-ray diffraction (XRD). The differences in the nanotubes morphology attributed to the etched samples due to anodiza-tion potential, reaction time and the electrolyte concentration were analyzed by scanning electron mi-croscopy (SEM). The gas sensitive parameters of the samples were obtained from resistance, the re-sponse time and the recovery time at different temperatures. titanium dioxide, ordered nanotube arrays, preparation, hydrogen gas sensor Titanium dioxide is a versatile material for different ap-plications. It is used as heterogeneous catalyst, photo-catalyst in solar cells, gas sensors and white pigments (in paints, cosmetics, etc.). Also it has electronic and electrical applications in MOSFET (as a gate insulator) and varistors [1]. Titanium dioxide is also a fascinating material from a surface science point of view. Properly made titania surfaces are very useful for different electronic applica-tions especially as gas sensors and solar cells [2]. The prime requirement for these important applications is high active surface area. Making nanosized material is a efficacious technique to increase the active surface area. The simplest approach to fabricate titania nanotubes is electrochemical anodic oxidation. Gong et al.[3] devel-oped uniformly oriented porous titania nanostructures by anodic oxidation of high purity titanium in hydrofluoric acid medium under potentiostatic bias. Titania has attracted much attention for its oxygen sensing capability [4― 6]. Furthermore, with proper ma- nipulation of the microstructure, crystalline phase and/or addition of proper impurities or surface functionalization titania can also be used as a reducing gas sensor [7,8]. Hydrogen has numerous applications in industry, such as petroleum distillation, chemical production, cryogenic cooling, semiconductor manufacturing proc-esses, fuel cell technology, and rocket engines [9]. Its wide range of applications motivates our work on the development of highly sensitive, specific, robust, and affordable hydrogen sensors, enabling its safe and accu-rate use. 1 Experimental 1.1 Fabrication of the highly ordered titania nano-tube arrays Industrial pure titanium foil was degreased by sonicating in acetone, ethanol and DI water, and dried in a nitrogen stream. The equipments of the electrochemical anodiza-tion are shown in Figure 1. Anodization experiments are commonly conducted with magnetic agitation of the electrolyte which reduces the thickness of the double layer at the metal/electrolyte interface, and ensures uni-form local current density and temperature over the Ti Received August 23, 2007; accepted December 18, 2007 doi: 10.1007/s11434-008-0120-0 ? Corresponding author (email: jihuiming@https://www.wendangku.net/doc/b19079152.html, )
纳米二氧化钛制备方法
1. 纳米TiO 2粉体制备方法 物理法 气相冷凝法: 预先处理为气相的样品在液氮的气氛下冷凝成核制得纳米TiO2 粉体,但该法不适于制备沸点较高的半导体氧化物 高能球磨法: 工艺简单,但制得的粉体形状不规则,颗粒尺寸分布宽,均匀性差 化学法 固相法: 依靠固体颗粒之间的混合来促进反应,不适合制备微粒 液相法: 就是将钛的氯化物或醇盐先水解生成氢氧化钛(或羟基氧钛) ,再经煅烧得到TiO2. 研究最广泛。 以四氯化钛为原料,其反应为 TiCl4 + 4H2O → Ti (OH) 4 + 4HCl , Ti (OH) 4 → TiO2 + 2H2O. 以醇盐为原料,其反应为 Ti (OR) 4 + 4 H2O → Ti (OH) 4 + 4 ROH , Ti (OH) 4 ???→煅烧 TiO2 + 2 H2O. 主要包括硫酸法、水解法、溶胶-凝胶(Sol2gel) 法、超声雾化、热解法等。 溶胶- 凝胶法就是将钛醇盐制备成二氧化钛溶胶. 为了得到多孔催化剂,通常采用煅烧等方法将凝胶进行干燥,去除溶剂,制得干凝胶. Dagan 等[25 ]采用超临界干燥法所制得的TiO2气凝胶孔隙率为85 % ,比表面积高达600 m2·g - 1 ,晶粒尺寸为5. 0 nm ;对水杨酸的光催化氧化表明该催化剂具有比Degussa P - 25 TiO2粉末更高的催化活性.
气相法: 其核心技术是反应气体如何成核的问题. 通过四氯化钛与氧气反应或在氢氧焰中气相水解获得纳米级TiO2 ,目前德国Degussa 公司P-25 粉末光催化剂是通过该法生产的 常用的化学制备方法有溶胶-凝胶法、沉淀法、水解法、喷雾热解法、水热法和氧化- 还原法等。 2. 纳米TiO2薄膜制备方法： 除了与粉体制备相同的制备方法如溶胶-凝胶法、热解法外,还有液相沉积法、化学气相沉积法、磁控溅射法等。 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)： 制备的薄膜纯度高,且制备工艺简单,易批量生产; 水热合成法： 通过水解钛的醇盐或氯化物前驱体得到无定形沉淀，然后在酸性或碱性溶液中胶溶得到溶胶物质，将溶胶在高压釜中进行水热Ostwald熟化。熟化后的溶胶涂覆在导电玻璃基片上，经高温(500℃左右)煅烧，即得到纳米晶TiO2薄膜。也可以使用TiO2的醇溶液与商业Ti02(P25，3Onm)混合以后得到的糨糊来代替上面提到的溶胶。反应中为了防止颗粒团聚，通常采用化学表面改性的方法，如加有机螫合剂、表面活性剂、乳化剂等，以降低粉末表面能，增加胶粒问静电排斥，或产生空问位阻作用而使胶体稳定。这些有机添加剂在高温煅烧阶段会受热分解除去. 是溶胶-凝胶法的改进方法，主要在于加入了一个水热熟化过程，由此控制产物的结晶和长大，继而控制半导体氧化物的颗粒尺寸和分布，以及薄膜的孔隙率.得到的Ti02颗粒是锐钛矿型还是锐钛矿型与金红石型的混合物由反应条件(如煅烧温度)决定。水热处理的温度对颗粒尺寸有决定性的影响。一般来说，将溶胶在高压釜中(150Xl05～330×105Pa)于200～250℃处理12h，可得到平均粒径15～20nm的Ti02颗粒。如果用丝网印刷术(也可用刮涂的方法)将TiO2溶胶涂覆在导电玻璃上，则得到
碳纳米管ZnO纳米复合体的制备和表征
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao ) Acta Phys.鄄Chim.Sin .,2007,23(2)：145-151 Received:August 9,2006;Revised:November 7,2006.English edition available online at https://www.wendangku.net/doc/b19079152.html, ? Corresponding author.Email:qingchen@https://www.wendangku.net/doc/b19079152.html,;Fax:+8610?62757555.国家自然科学基金委国际合作项目(60440420450)、高等学校博士学科点专项科研基金(20050001055)和新世纪优秀人才支持计划资助 ?Editorial office of Acta Physico ?Chimica Sinica [Article] https://www.wendangku.net/doc/b19079152.html, February 碳纳米管/ZnO 纳米复合体的制备和表征 杨闵昊 梁涛彭宇才陈 清? (北京大学电子学系,纳米器件物理与化学教育部重点实验室,北京 100871) 摘要： 通过将不同直径的ZnO 纳米颗粒与碳纳米管连接制备了碳纳米管/ZnO 纳米复合体.将团聚的ZnO 纳 米颗粒分散并用表面活性剂CTAB 使纳米颗粒带正电.化学氧化碳纳米管使其带负电.ZnO/CTAB 微团通过碳管表面羧基与CTAB 的静电作用与碳纳米管连接形成纳米复合体.研究了复合体形成的不同实验条件,表征了碳纳米管/ZnO 纳米复合体的结构并研究了纳米复合体的光学特性.研究表明,与碳纳米管连接的ZnO 纳米颗粒是互不连接的并保持量子点的特性.光致发光研究表明ZnO 纳米颗粒的激发在纳米复合体中有淬灭.关键词：ZnO ；碳纳米管；纳米复合体中图分类号：O648 Synthesis and Characterization of a Nanocomplex of ZnO Nanoparticles Attached to Carbon Nanotubes YANG Min ?Hao LIANG Tao PENG Yu ?Cai CHEN Qing ? (Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices of the Ministry of Education,Department of Electronics, Peking University,Beijing 100871,P.R.China )Abstract ：A CNT/ZnO nanocomplex was fabricated by attaching ZnO nanoparticles with various diameters to carbon nanotubes (CNTs).The as ?prepared agglomerate ZnO nanoparticles were dispersed and positively charged by utilizing a cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB).ZnO/CTAB micelles were subsequently anchored to the surface of CNTs by electrostatic interaction between carboxyl groups on the chemically oxidized nanotubes ′sidewalls and CTAB molecules.Different experimental conditions for the attachment were studied.The CNT/ZnO nanocomplex was characterized using structural and optical analysis methods.ZnO nanoparticles attached to the carbon nanotubes were found to be separated from each other maintaining characteristics of quantum dots Photoluminescence study showed that the emission of ZnO nanoparticles was quenched in the nanocomplex.Key Words ：ZnO ；Carbon nanotube ；Nanocomplex Due to their unique physical and chemical properties,car-bon nanotubes (CNTs)have broad applications in nanoelectron-ics [1-6],catalysis [7],sensors [8,9],and biosensors [10].Attaching nanopar-ticles to nanotube sidewalls is expected to enhance the CNT ap-plications as in catalysis,fuel cells,or sensors.Various ap-proaches for CNT/nanoparticle complexes have been suggested,such as physical evaporation [9],chemical reaction with functional ized CNTs [11-16].Materials that have been attached to CNTs in-clude gold [12-14,17,18],platinum [7,14],and palladium [9,19]nanoparticles [15,16],proteins and small biomolecules [20],polymers [21],CdSe ?ZnS core ? shell nanocrystals [22],and ZnO clusters [23,24]. ZnO is a wide band gap (3.37eV)semiconductor having broad applications in room temperature ultraviolet lasing,chem-ical sensors,photovoltaics,piezoelectric transducers,and single electron transistors [25-28].ZnO nanoparticles have been extensive-ly studied over the past years because of their size ?dependent electronic and optical properties [25,26].Combining ZnO nanoparti-cles with CNTs is expected to produce materials with enhanced electronic and optical properties.A couple of groups have start-ed to explore this direction very recently.ZnO nanoparticles 145
纳米二氧化钛制备方法
纳米二氧化钛制备方法 陈早明 郑典模 (南昌大学环境与化学工程学院 江西南昌330029) 摘 要 文章阐述了纳米二氧化钛粒子的制备方法,和各种制备方法的所具有的特点。并提出了目前制备方法所存在的一些不足之处。 关键词:二氧化钛 纳米 制备 1 引言 纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒,它的尺寸大于原子簇,小于通常的微粉。通常,把仅包含几个到数百个原子或尺度小于lnm的称为“簇”,而把粒径在1—100nm之间微粒称为纳米粒子。当小粒子尺寸进入纳米量级时,其本身就具有了量子尺寸效应,小尺寸效应,表面效应和量子隧道效应,因而展现许多特有的性质,在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面具有广阔的应用前景。而纳米二氧化钛(T i02)由于其具有粒径小、比表面积大、磁性强、光催化、吸收性能好,吸收紫外线能力强,表面活性大、热导性好、分散性好、所制悬浮液稳定等优点。因此倍受关注,制备和开发纳米二氧化钛成为国内外科技界研究的热点之一。(1) 2 纳米二氧化钛的制备方法 纳米二氧化钛的制备方法可分为气相法和液相法两大类。 2.1 气相制备法 2.1.1 低压气体蒸发法(1) 此种制备方法是在低压的氩、氮气等惰性气体中加热普通的T i02,然后骤冷生成纳米二氧化钛粉体,其加热源有以下几种:(1)电阻加热法;(2)等离子喷射法;(3)高频感应法;(4)电子束法;(5)激光法,这些方法可制备lOOnm以下的二氧化钛粒子。 2.1.2 活性氢—熔融金属反应法 含有氢气的等离子体与金属钛之间产生电弧,使金属熔融,电离的N2,Ar等气体和H2溶入熔融金属,然后释放出来,在气体中形成了金属的超微粒子,用离心收集器或过滤式收集器使微粒与气体分离而获得纳米二氧化钛微粒。 2.1.3 溅射法(1) 此方法是用两块金属板分别作为阳极和阴极,阴极为蒸发用的材料,在两电极间充入Ar 气,两电极间施加的电压范围为0.3—1.5kV。由于两电极间的辉光放电使Ar离子形成。在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面,靶上的T i02就由其表面蒸发出来,被惰性气体冷却而凝结成纳米T iO2粉末,粒度在50nm以下,粒径分布较窄。 2.1.4 流动液面上真空蒸发法 用电子束在高真空下加热蒸发T iO2,蒸发物落到旋转的圆盘下表面油膜上,通过圆盘旋转的离心力在下表面上形成流动的油膜,含有超微粒子的油被甩进了真空室的壁面,然后在真空下进行蒸馏获得T iO2超微粒子。 2.1.5 钛醇盐气相水解法(2) 该工艺最早是由美国麻省理工大学开发成功的,可以用来开发单分散的纳米T iO2,其反应式如下: nT i(0R)4,+2nH2O(g)————>nT iO2(s)