在聚合物溶液中TiO2纳米管的制备(2)
4.1聚乙二醇浓度对纳米管管径以及管长的影响 17
4.2温度对纳米管管径以及管长的影响 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
人们对金属或半导体表面自组装纳米结构产生了很大的兴趣，除发现了铝以外，还发现了如钛之类的阀金属。纳米碳管是由日本的NEC 公司在1991年发现的[1]。众所周知，纳米TiO2在现在是一种十分重要的无机功能材料，功能材料的性质由它们的微观结构所决定，这种材料具有无毒、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[2]、稳定性好、有高折射率、禁带宽度比较宽、化学性能稳定等优点，还有耐酸碱、耐氧化还原、耐光腐蚀、无毒低成本等优良特性，因此在各种光催化反应技术中被广泛的应用，如自洁材料、光催化剂极载体、传感器、光催化太阳能电池[3]等领域。纳米二氧化钛(TiO2)还比拥有一些普通二氧化钛不具备的特殊性能，如表面效应、宏观量隧道效应等。而且与常规形态的二氧化钛相比，二氧化钛纳米管拥有着更强的吸附能力[4]和更大的比表面积[4]，由于这些因素可望提高二氧化钛的光电转换效率及光催化性能。不仅如此，与普通二氧化钛相比还有特殊的孔体积，借此二氧化钛纳米管可表现出其特有的物理化学性质，从而使它在光电转化和光催化领域具有更远的前景。由于二氧化钛纳米管在聚合物溶液中合成的研究较少，因此本课题着重对用阳极氧化法在聚合物溶液中如何制备TiO2纳米管进行深入的探讨。
1.2 二氧化钛纳米管（PATNT）的制备方法
1.2.1 模板法
纳米管或纳米丝的形成是把纳米结构基元组装到模板孔洞中，通过一些化学或者物理的方法，在膜的外面二氧化钛纳米管生长，然后有选择的除去模板而得到纳米管的方法叫模板合成法[6]。模板的种类有许多，比如高分子模板、介孔沸石模板、蛋白模板、多孔硅模板、金属模板以及表面活性剂模板。一般来说，常用的模板有两种，一种是有序孔洞阵列氧化铝模板[7]，另一种是含有孔洞无序分布的高分子模板[7]。现在制备二氧化钛纳米管时多孔氧化铝是最常用的模板，然后如要制取二氧化钛纳米管还需再通过电化学沉积法、溶胶-凝胶法、溶胶-凝胶-聚合法等技术来制取。模板法的缺点是，用这种方法制得的纳米管的内径比较大，且制备过程及工艺比较复杂。
1.2.1.1 电化学沉积法
在氧化铝和高分子模板孔内组装金属和导电高分子管中通常用电化学沉积法。但Hoyer[8]制备二氧化钛纳米管的时候用的是两阶段复制法。在氮气的保护下将少量的碳酸氢钠溶液加入到浓度为10mol/L的TiCl3的盐酸溶液中，将该溶液pH值调至2.5，这样可让甲基异丁烯酸脂模板上有无定形的二氧化钛沉积，生成含水的二氧化钛聚合物。然后在40℃下用丙酮将甲基异丁烯酸脂模板溶解，从而得到无定形的二氧化钛纳米管，再在450℃下干燥、脱水得到二氧化钛纳米管。
1.2.1.2 溶胶-凝胶法
把模板放入到钛醇盐或者钛的无机盐水解之后形成的溶胶中，经过干燥处理后，将模板除去从而制得二氧化钛纳米管的方法，称为溶胶-凝胶法[9]。有人用多孔阳极氧化铝模板，利用该方法，成功的制取了长度、孔径、管壁厚度等条件均可控的二氧化钛纳米管。经过SEM以及TEM等设备检测之后发现，多孔阳极氧化铝模板[7]直接决定二氧化钛纳米管的直径大小，若所制取的二氧化钛纳米管出现长度明显增加以及管壁增厚的现象，那么模板在胶体溶液中的浸渍时间相应延长。据此，若想得到长径比可控制的二氧化钛纳米管，可通过控制多孔阳极氧化铝模板孔径和厚度以及浸渍时间的方法来制取。多孔阳极氧化铝模板浸渍的方式被Peng等[10]所改变，并采用水平以及垂直浸渍分别获得了二氧化钛纳米管和由许多二氧化钛层隔开的中空竹状纳米管。Peng等[10]用表面活性剂盐酸月桂胺作为模板剂合成了有序的二氧化钛纳米管，并且对二氧化钛纳米管的形成机理做出了讨论。
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