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线?管?薄膜?二氧化钛(TiO2)纳米材料不止有颗粒
2019/10/21 点击 3078 次

中国粉体网讯  纳米结构的二氧化钛(TiO2)因其在光学、生物学、电学等方面的独特性质而成为目前研究的热点之一,并被广泛应用于光催化、光电池、传感器、涂料等方面。

 

我们平日讲到纳米二氧化钛,大多默认为是产品外观为白色疏松粉末的纳米二氧化钛粒子,但实际上二氧化钛纳米化后,有多种不同的结构,例如二氧化钛纳米线、纳米管等等。它们有一些相同性质,同时又在不同领域各有突出,从而应用在不同的使用场景。下面就详细介绍4种纳米二氧化钛材料。

 

纳米二氧化钛粒子

纳米二氧化钛粒子默认称为纳米二氧化钛。纳米二氧化钛主要有两种结晶形态:锐钛型(Anatase)和金红石(Rutile)。



分类


一.  按照晶型可分为:金红石型纳米钛白粉和锐钛型纳米钛白粉。


二.按照其表面特性可分为:亲水性纳米钛白粉和亲油性纳米钛白粉。


三.按照外观来分:有粉体和液体之分,粉体一般都是白色,液体有白色和半透明状。

 

功能


纳米TiO2具有很高的化学稳定性、热稳定性、超亲水性、非迁移性,所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中、锂电池中。

 

制备方法


目前,制备纳米TiO2的方法很多,基本上可归纳为物理法和化学法。物理法又称为机械粉碎法,对粉碎设备要求很高;化学法又可分为气相法(CVD)、液相法和固相法。

 

纳米二氧化钛薄膜


纳米TiO2作为一种低成本的半导体薄膜材料,具有其本体块状物所不具备的表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等优点,使其在保持原有的物理化学性质的同时,还具有独特的力学、电磁学、光学等性能。

 

制备方法


薄膜的性能与研究依赖于薄膜的制备,高质量的薄膜有利于薄膜物理的研究和器件应用的发展。由于纳米TiO2的广泛应用,其制备技术的研究也较为广泛。常用的有化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、反应溅射法和脉冲激光法等,其中溶胶-凝胶法和溅射法是目前研究得最多的纳米TiO2薄膜制备方法。

 

二氧化钛薄膜应用


1.太阳能电池

近几年,纳米TiO2作为一种新型的太阳能无机半导体材料,倍受广泛的研究。TiO2薄膜太阳能电池是一种高效、成本低、无污染,而且具有优越的光电效率、介电效应、大的比表面积和量子尺寸效应等优点。


2.环境保护

随着环境污染的日益严重,人们的环保意识也随之增强。纳米二氧化钛材料由于它的亲水特性和光催化杀菌特性,现已应用于净化大气、净化水质、抗菌杀菌和防污自洁等许多方面。


3.表面工程

纳米TiO2在表面工程中的应用主要是通过在基体材料表面上涂覆、镀覆或掺杂纳米TiO2,以达到对基体材料起防护、强化、修复和装饰等作用。


4.生物医学

在生物医学方面,纳米TiO2的理化性质和生物相容性已受到人们的高度重视。例如可以将TiO2薄膜覆盖在人工材料上,用于制备人工心脏瓣膜、人工膝关节,也可用于整形手术和牙科手术中等。

 

二氧化钛纳米线



纳米线是一种具有横向为纳米级尺寸,而在纵向没有限制的一维结构。一维结构的纳米线因为具有较高的电荷载流子传输效率和离子分散能力,使其具有较强的电荷收集效率,可使光生载流子在纳米线中沿着一维的长轴方向传递,从而减少了光电子的损失。


另外,相对于纳米二氧化钛颗粒和二氧化钛薄膜而言,二氧化钛纳米线具有更大的比表面积和更高的表面能,因而表现出更好的光催化性能。


制备方法


二氧化钛纳米线制备方法有很多,大体归纳为三类:模板导向法、自组装法和蚀刻技术。


其中,模板导向法已经比较成熟,主要应用于工业生产。

 

自组装法是利用物质特有的晶体结构,或者分子、离子之间的某些作用力较强的化学键的相互作用,使得材料在一维方向上生长。自组装的规律并不好掌握,受到温度、pH值、溶剂浓度等不同因素的影响。

 

蚀刻技术制备纳米线是通过光刻、等离子蚀刻对材料表面进行物理或化学处理,去除部分材料后使其形状变为纳米线的方法,主要代表方法为阳极氧化技术。

 

二氧化钛纳米管



按照维数划分,二氧化钛纳米管属于一维纳米材料,既具有纳米材料普遍具有的量子尺寸效应,还具有独特的机械性、热稳定性和光学性质,因此其具有特殊的研究意义。

 

TiO2纳米管相对于纳米棒、纳米线等其他一维纳米结构而言,具有更大的比表面积,即可以提供更多的活性中心,使得TiO2纳米管在光催化、光电池等方面具有更优良的性能。

 

制备方法


目前TiO2纳米管的制备方法主要有模板合成法、阳极氧化法和水热合成法3种。


1.    模板合成法

模板合成法是把TiO2纳米结构基元组装到模板孔洞中而形成纳米管的方法,根据模板剂的性质可以分为硬模板法和软模板法。

 

2.    阳极氧化法

阳极氧化法是钛片在氢氟酸(HF)溶液中,经阳极腐蚀而获得TiO2纳米管的方法。这种方法可以制得排列整齐的纳米管阵列。

 

3.    水热合成法

它是以TiO2纳米粒子为钛源,在高温下与过量的浓碱溶液进行一系列的化学反应,再经过离子交换、焙烧后,得到TiO2纳米管的方法。

 



(中国粉体网编辑/漫道)

注:图片来源于网络,存在侵权告知删除!

 

参考来源

罗志华等.纳米TiO2薄膜的研究

王俏等.二氧化钛纳米管的制备、改性及应用

高岩.二氧化钛纳米线光催化作用的研究进展

刘旭.单分散性二氧化钛纳米粒子的制备、组装及性质研究

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(来源:中国粉体网)


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