以氧化锌为模板制备氧化钛纳米管阵列(2)
步入21世纪后，日益衰竭的能源和环境问题越来越严峻，引起各界人士的注意。一方面，现阶段的主要能源，如煤，虽然储量很高，但两百年内也会耗尽；另一方面，传统能源使用带来的环境污染不容忽视，化石资源燃烧放出的气体会引发“温室效应”和酸雨等问题。因此，探索和制备清洁能源以及可再生能源一直以来是研究的主题[1]。
从发展的角度看，在矿物资源正在枯竭和环境不断恶化情况下，太阳能因为对环境无污染、分布极为广泛、源源不断等优点，必定在未来的能源结构中占据主要位置。但是太阳能能量密度低、分散度广、不稳定、不连续等缺点使得我们至今仍缺乏对其高效、低成本、大规模利用的有效方法。
氢能是一种理想的清洁能源，将成为重要的新能源载体，具有高效、易得、可再生等优点。而利用太阳能制取氢气无疑是一种良好的生产方式[2, 3]。利用在地球上十分丰富的水资源和取之不尽用之不竭的阳光，通过光催化作用分解水获取氢气也是十分有发展前景的。
在光催化反应中，稳定高效的催化剂至关重要。在Fujishima和Honda发现了利用二氧化钛光电催化裂解水制取氢气[4]之后，光催化制氢领域得到了全球范围的关注。以二氧化钛为基础衍生出了一系列金属氧化物催化剂，其制备方法、表面改性和相关理论等方面也有许多成果，通过对二氧化钛本体进行掺杂，或沉积贵金属以及相匹配的金属氧化物作为助催化剂和光敏化等处理，二氧化钛的光催化性能得到进一步提升。同时，光解水制氢领域也不断改进，开发出染料负载金属催化剂、有机半导体复合物、杂多酸以及金属硫化物、层状物和复合层状物等其它催化剂[5-7]。如K. Guruanthan等用过渡金属离子掺杂γ-Bi2O3，量子效率高达68%[8]。F. Rodney等[9]研究了Pt的金属络合物在酸性水溶液中制备氢气的表现。Pt修饰有利于减少光生载流子的复合。
20世纪90年代，纳米技术开始应用于无机金属及金属盐类复合结构光催化剂的制备。纳米尺度下的表面效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应被引入二氧化钛催化领域，各种新形貌新结构的催化剂带来了令人惊喜的应用特性。与最常见粉体相比较，具备高度有序性的二氧化钛纳米管阵列，在量子尺寸效应、表面光电转换性能和化学稳定性都有明显提升，应用广泛。其中犹以光电解水制氢最为常见。二氧化钛纳米管较高的比表面积，均匀规整的管径分布，以及特殊的纳米结构，均有利于对光的吸收利用。在皮秒级时间内，光生空穴就能达到纳米管－电解液界面，对避免载流子复合、提高量子效率非常有效[10]。
1.2 二氧化钛纳米管的研究进展
管状结构纳米材料的制备及应用的研究备受青睐。Kasuga等[11]于1998年首次在强碱条件处理二氧化钛得到二氧化钛纳米管，但其后被证实是层状结构。时至今日，获得二氧化钛纳米管的方法已经很多，主要有水热法[12]、模板法[13] 和阳极氧化法[14]三种。
1.2.1 水热法
水热合成即以水为介质，在特定的高温高压环境中进行物质合成。这一方法能够让一般难溶或不溶的物质经过先溶解再结晶，最后分离热处理。得到与常温常压下不同的产物。水热合成二氧化钛纳米管时，通常条件为高温高压的碱性环境。Kasuga等[15]报导的分散的二氧化钛纳米管合成方法较为典型。将二氧化钛与10 mol/L 氢氧化钠水溶液充分混匀，放入带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中高温反应。反应结束后用去离子水和0.1 mol/L的盐酸水溶液充分洗涤，中和过多的碱，干燥后得到一文二氧化钛纳米材料。同样的，使用商业级二氧化钛粉末（P25，一种高分散性二氧化钛粉体）作为反应原料，也可以方便的得到二氧化钛纳米管，且产率极高，成本低廉，受到研究者的广泛关注和研究。
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