阳极氧化法制备二氧化钛纳米管.ppt

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1、阳极氧化法制备二氧化钛纳米管,技术物理学院050511班 姓名：赵洪涛 学号：05051033 指导老师：贾巧英,目 录,第一章 绪论第二章 阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列第三章 实验结果与讨论第四章 结束语,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，具光敏、湿敏、气敏、光电等优越的性能.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，在很多领域有很大的应用前景,1.2.二氧化钛纳米管的结构、性能 纳米材料：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

2、料。一维纳米材料：一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度为宏观尺度的新型纳米材料。如纳米棒、纳米线、半导体纳米量子线、纳米线阵列等。,1.3 二氧化钛纳米管的形成机理YQWang等人提出3D2D1D的模型：首先，未处理的锐钛矿相TiO2粉末是三维晶体，与浓NaOH水溶液反应后形成薄片状。薄片状的TiO2聚积了足够的能量后，使得该二维结构出现不稳定，接着开始一层接一层地卷曲成为管状，最后形成TiO2纳米管。Gong等认为在阳极氧化法制备TiO2纳米管的过程主要有两个：一是电场辅助钛片阳极氧化过程；二是电场辅助金属氧化物的溶解过程,1.4 二氧化钛纳米管的制备目前,制备TiO2纳米管的方法主

3、要有模板法、水热合成法以及阳极氧化法。1.4.1 模板法这种方法得到的纳米管的内径一般较大，并受模板形貌的限制，而且制备过程及工艺复杂，更多的研究人员倾向于采用化学处理法。,1.4.2 水热法水热合成法制备的TiO2纳米管杂乱无序，长度、壁厚、管层数难控，构效关系难以建立。,阳极氧化法,右图为印度科学家Maggie Paulose,采用阳极氧化法制得的长度达到134m长的二氧化钛纳米管阵列,电化学阳极氧化法是通过对电解液中的金属板施加外电压而实现特定结构的有序生长,TiO2纳米管阵列生成就是对含有F-电解液中的高纯金属钛板施加稳压电压而实现的，电解液的组成、pH、负载外电压、温度、蚀刻时间均影

4、响TiO2纳米管的形貌和性质。,阳极氧化蚀刻法与水热合成法制备的TiO2纳管参数的比较,1.5 二氧化钛纳米管应用前景TiO2纳米管因其所具有的优异的光电、催化、传感学性能，使其在光催化、微电子微生物模拟、传感器材料等领域得到广泛的应用。传感器 光催化剂 电池 光催化剂载体,1.6 本章小结TiO2纳米管的研究虽然受到了人们的广泛关注，国内外关于研究TiO2纳米管的制备技术都已取得重大进展，逐渐趋于成熟，但仍有一些问题需要解决。,第二章 阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列,阳极氧化法制备二氧化钛纳米管试验装置图,样品制备过程中的现象 实验初始阶段能明显看到电极有气体产生，为细小气泡。随反应时间无

5、变化。初始反应电流较高，在很短一段时间内下降很快，下降趋势随反应时间逐渐减小，最终趋于稳定。阳极钛箔表面生成淡黄色氧化膜。,样品表征采用高倍电子扫描电镜(SEM)对TiO2纳米管阵列的形貌进行表征，用X射线衍射仪(XRD)测定TiO2纳米管的晶体结构。,第三章 实验结果与讨论,3.1 二氧化钛纳米管阵列膜形貌表征右图为室温下，经电化学抛光处理的纯钛箔在含0.3wt%NH4F和2vol%水的乙二醇电解液、控制氧化电压60 v、氧化时间4 h时所得薄膜组分测试结果，O和Ti摩尔比为1.994：1。可以肯定：阳极钛箔上所生成淡黄色薄膜样品为TiO2。,在含0.3wt%NH4F和2vol%水的乙二醇电

6、解液、控制氧化电压60 v、氧化时间4 h时所得TiO2纳米管阵列膜的SEM,3.2 多次氧化对二氧化钛纳米管形貌的影响,在0.5wt%NH4F、0.5wt%水的乙二醇电解液中，控制电压60 v，二次阳极氧化6h，制得TiO2纳米管阵列膜的SEM 图。,从顶面俯视图，侧面扫描图可以看出，相比一次氧化与二次氧化SEM图，多次氧化所得纳米管阵列膜孔径分布更为均一，规整性有显著提高。结论：通过多次氧化可以提高所得纳米管阵列的规整性，制备出更为均匀规整性能优良的纳米管阵列。,在0.5wt%NH4F、0.5wt%水的乙二醇电解液中，控制电压60 v，三次阳极氧化5 h，制得TiO2纳米管阵列膜SEM 图

7、,3.3 阳极氧化电压对二氧化钛纳米管形貌的影响我们观察到阳极氧化电压的提高导致二氧化钛纳米管直径的增加，而降低阳极氧化电位结果导致短小的二氧化钛纳米管和较小的纳米管直径。结论：阳极氧化电压是影响TiO2纳米管形成和生长过程的一个最为重要的因素，通过调节电压参数可实现对TiO2纳米管管径大小的控制。,3.4 反应时间对二氧化钛纳米管形貌的影响,上图分别为60V电压下阳极氧化4 h、5 h、6 h获得二氧化钛纳米管阵列膜截面SEM图片，可以看出，氧化4 h、5 h、6 h所得纳米管长度分别为25m、27m、43m。结论：阳极氧化时间是决定纳米管长度的一个重要参数，在一定时间内二氧化钛纳米管长度随

8、时间增加。,3.5 有机电解液对二氧化钛纳米管形貌的影响2001年Gong和其同事最早的报告，第一代阳极氧化中使用氟化氢电解质制备的二氧化钛纳米管阵列可增加到长度约500纳米。通过控制阳极氧化电解液pH值减少了阳极氧化二氧化钛化学溶解，二氧化钛纳米管的长度后来增加到7微米，之后,许多种有机电解液都被用于制备TiO2 纳米管,得到的管长更达到360m。本试验中在氟化铵的乙二醇电解液中制得的高度有序二氧化钛纳米管阵列长度达到43微米。,右图为膜厚为2025m TiO2纳米管阵列分别在300，400，450，500，550和600 6个不同的温度下热处理2 h后的X射线衍射图。,3.6 二氧化钛纳米

9、管晶型分析,3.7 二氧化钛纳米管生成机理,二氧化钛纳米管生长行为和构造图,有关化学反应如下:Ti Ti4+4e-Ti4+2H2O TiO2+4H+2H2O O2-+4e-+4H+TiO2+6F-+H+TiF62-+2H2O,第四章 结束语,本文首先主要介绍了纳米二氧化钛材料，二氧化钛纳米管不同的制备方法和形成机理，并分析了阳极氧化法制备二氧化钛纳米管相比其他方法的优越性和可行性，以及二氧化钛纳米管的应用前景。,介绍了在在乙二醇、氟化铵的混合溶液中采用阳极氧化法在用化学处理后的纯钛片表面生成了一层结构高度有序的高密度TiO2纳米管阵列。并根据所得试样SEM和XRD图像分析阳极氧化电压、反应时间、电解液组成等因素对TiO2纳米管阵列形貌和尺寸的影响,探讨了多次阳极氧化对纳米管形貌的改善。探讨了二氧化钛纳米管晶型并分析了阳极氧化法中二氧化钛纳米管的生长机理。,谢谢！,