NML综述|“水助法”低温结晶二氧化钛纳米管

Review of Water-Assisted Crystallization for TiO2 Nanotubes

Xiaoyi Wang (王晓艺), Dainan Zhang, Quanjun Xiang, Zhiyong Zhong, Yulong Liao(廖宇龙)

Nano-Micro Lett. (2018) 10: 77

https://doi.org/10.1007/s40820-018-0230-4

文亮点

首次回顾总结了“水助法”低温结晶二氧化钛纳米管的相关研究。

对“水助法”得到的二氧化钛纳米管产物的各项性能及应用进行了总结。

内容简介

近年来,二氧化钛纳米管凭借其独特的结构性和出色的物理化学性质在各领域引起了越来越多的关注研究。在制备二氧化钛纳米管的各种方法中,阳极氧化法被认为是一种高效,便捷,低廉的方法。

一般而言,通过阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管并未结晶,为不定型态。因此,随后的高温烧结流程成为得到锐钛矿型二氧化钛纳米管的必要步骤,这无疑给环境和成本带来了巨大压力。

基于此,如何在低温的条件下得到排列整齐的锐钛矿型二氧化钛纳米管成为了一个研究热点。

电子科技大学廖宇龙教授2011年首次提出了一种“水助法”低温结晶二氧化钛纳米管的新型途径。该方法不需要高温烧结,只需要在低温条件下将不定型态的阳极氧化后的纳米管浸泡入纯水中,即可得到锐钛矿型的二氧化钛纳米管产物。

由于此方法环保无毒,成本低廉,易于控制,一经提出便受到了科学界的广泛关注。在此,本文对近些年来的关于“水助法”低温结晶二氧化钛纳米管的研究做了一个总结,希望能进一步地推动二氧化钛纳米管以及低温结晶金属氧化物的研究发展。

图文导读

“水助法”结晶方法及原理

▲ 图1 “水助法”低温结晶二氧化钛纳米管的流程示意图。

一般方法为先通过阳极氧化法得到不定型态的纳米管,然后将此产物放入纯水中浸泡一段时间后取出,即可得到整齐排列的锐钛矿型的二氧化钛纳米管阵列。

该结晶过程一般被认为是无序排列分布的TiO6基团重新排列,组合成有序的锐钛矿结构的纳米管阵列的过程。水分子在这个过程中起了重要的作用,被大家广泛接受的一种解释为“溶解-再结晶”机理。

▲ 图2 在水分子的作用下无序的TiO6基团重新组合成锐钛矿结构的原理示意图。

2 “水助法”对各项性质的影响

▲ 图3(a-d)不定型态的纳米管在室温条件下浸泡在纯水中不同时间的形貌变化;(e)“纳米管-纳米棒”形貌转变的示意图。

“水助法”得到的锐钛矿型的二氧化钛纳米管与高温烧结得到的产物相比,最显著的区别在于表面形貌的不同。

高温烧结下的产物一般表现出表面光滑完好的纳米管结构,而“水助法”由于在制备中涉及了“溶解-再结晶”过程,所得到的纳米管的表面一般呈现出粗糙的“纳米颗粒/纳米管”结构

这种低温条件下就能得到的“纳米颗粒/纳米管”结构能够显著地增加产物的比表面积。

3 “水助法”用于光催化降解有机污染物

图5 (a)锐钛矿型二氧化钛在光激发下降解污染物的原理图;(b,c)“水助法”与其他方法下得到的不同产物对甲基橙的降解效率比较图。

“水助法”得到的具有较大比表面积的二氧化钛纳米管能够应用在多个领域,比如光催化降解有机污染物及超级电容器。

“水助法”在其他金属氧化物上的应用

▲ 图7 (a)阳极氧化后的氧化锡的形貌及实物图;(b)室温下“水助法”进行2小时后的形貌及实物图;(c)60度下“水助法”进行2小时后的形貌及实物图;(d)结晶过程原理示意图;(e, f)“水助法”结晶后的产物的透射电镜及电子选区衍射图。

“水助法”不仅能够将阳极氧化后的不定型态的氧化钛纳米管结晶为锐钛矿型,同时可以结晶其他方法制备的不定型态的氧化钛纳米线,纳米球等。

此外,该方法也被应用到了除氧化钛之外的其他金属氧化物上,比如氧化锡等。

作者简介

主要研究领域:

纳米科学,电化学及材料学等交叉学科研究

主页链接:

http://222.197.183.99/TutorDetails.aspx?id=3974

—该论文第一作者—

主要研究方向:

纳米科学,电化学,催化等方向

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