技术简介：
成果介绍：二氧化钛作为一种性能优异的n型半导体材料，由于具有良好的化学稳定性、无毒害、无污染、低成本等特性，使其在光电催化剂、染料敏化太阳能电池、自清洁、光解水、储能等领域获得广泛研究与应用。特别是近年来，随着纳米科技的发展，各种不同形貌结构的TiO2相继问世，使TiO2材料成为目前应用最广泛的纳米光催化材料，也使其成为最具有开发前途的绿色环保型催化剂材料和光电材料之一。目前，国内外研究工作主要集中在TiO2纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带等一维纳米材料的开发上，期望由于“纳米效应”使其在声、光、电、磁、力和热等方面表现更优的性能，其中纳米管更成为纳米材料科技中的热点。自发现碱热法合成TiO2 纳米管粉末以来，TiO2纳米管因其具有超大的比表面积及其一维取向性，大大增多了反应活性点并加快了光电子的传输，引起了人们对Ti02 纳米管制备和性能研究的广泛关注。但是，目前此方法合成的纳米管存在可控性差和提纯困难的问题，尤其是不能达到TiO2管定向排布，这样就限制了其性能与应用范围。后来研究者发现利用阳极氧化的方法可以制备氧化钛纳米管阵列以来，可定向排布的TiO2纳米管的制备和性能研究已经取得很大的进展。但目前利用此种方法制备TiO2管阵列还存在许多问题，很难制备出无缺限高质量纳米管阵列膜，如所形成的纳米管阵列容易倒伏和聚集，或形成的纳米管阵列膜表层容易形成大的蚀坑或大量沉积物堵塞管口，成为制约其应用的瓶颈。另一方面，新制备的TiO2管阵列底端封口，且与钛基底牢固结合，这就阻碍了此种材料在太阳能电池、过滤膜、分离分析等领域的应用。因此要将TiO2管阵列膜进行产业化发展，达到类似目前多孔氧化铝模板商业化生产要求，探寻其与钛基底剥离的方法和通孔工艺以制备完整的大面积无缺限的TiO2管阵列通孔自支撑膜，将是最关键的技术和难点。经过近10年的不断努力和探索，我们逐渐克服了上述TiO2纳米管材料制备过程中存在的问题，发展了高纯TiO2纳米管粉体材料的制备工艺，并达到了批量化生产的要求；同时我们发展了一套完整的阳极氧化TiO2纳米管阵列的制备技术，其中包括纳米管材料的管径管长的控制、表面多孔型和非多孔型纳米管阵列的控制、脱膜和通孔技术等，多项技术达到国际领先水平，并申请到了两项国家专利，为TiO2纳米管阵列材料的工业化生产提供了基本完备的制备工艺。此项技术克服了传统TiO2纳米管阵列制备过程中存在的纳米管倒伏、管口封堵、过度刻蚀等技术缺陷，并可以批量大规模地生产多种TiO2纳米管阵列材料，为其产业化奠定了基础。技术指标：高有序TiO2纳米管阵列膜材料：（1） 高有序TiO2纳米管阵列尺寸和结构可以根据用户实际需要大范围可调，孔径30-200nm，壁厚5-40nm，管长100nm-1mm，面积1 cm2-1 m2。（2） 产品主要分为两类，一类是基于钛基底支撑的纳米管阵列膜，另一类是TiO2纳米管通孔自支撑膜。（3） TiO2纳米管晶型可选，分为无定形态、锐钛矿、金红石相以及混相（锐钛矿和金红石相按一定比例，可调）。（4） 对于阳极氧化处理生长TiO2纳米管的基底形状不限，包括钛或钛合金金属片、块、丝、柱、不规则形状的材料以及镀钛导电玻璃等。应用领域： 上述方法生产的大面积无缺陷TiO2纳米管阵列，可以实现批量生产，也可以根据用户需要进行定做，满足不同应用方面的需求： （1）多孔型阳极氧化钛纳米管阵列具有不倒伏不聚集的的特征，可作为优异的半导体模板批量化制备各种金属、氧化物、导电聚合物等一维材料和复合材料，应用于各种实验室试验或工业生产中，参见已发表论文Adv. Mater. 2009, 21, 1964-1967.（2）通孔TiO2纳米管阵列膜材料可作为过滤膜广泛应用于分离分析测试及应用，又可在紫外光存在条件下实现污染物过滤过程中的原位降解。（3）新制备的TiO2纳米管阵列膜具有超亲水特性，经表面修饰后可制备超疏水或超疏油表面，实现金属钛材料的表面改行，应用于特殊工况条件，实现自清洁、防腐防污、防爬行、水下减阻、防结冰等领域，参见已授权专利ZL200810183386.9及ZL200910221165.0。（4）多孔型阳极氧化钛纳米管阵列膜具有高度有序性，比普通TiO2材料更有利于电子传输，可被广泛应用于染料敏化太阳能电池、光解水制氢（参见Nano Lett., 2011, 11, 3649–3655）、光催化剂、储氢等领域取得更佳的效果。高纯TiO2纳米管粉体材料：管径8-12纳米，管长1－3微米，比表面积300-400 m2/g，可大批量生产，在太阳能光伏薄膜电池、涂料、传感、空气净化、橡胶、油墨、塑料、化妆品、食品、医药、服装等领域具有广阔应用前景。我们设计了新型的TiO2纳米管阳极氧化装置，可以快速的制备多种TiO2纳米管阵列材料，达到批量生产的目标，同时此装置可一体多用，集成化多种阳极氧化技术，可以同时制备上述阳极氧化TiO2纳米管阵列、优质多孔Al2O3模板材料或载体材料（孔径10-500nm，膜厚50nm-1cm；通孔自支撑膜；超薄通孔自支撑膜）、以及制备阳极氧化多孔硅材料。此设备属自主研发，可以同时实现三种多孔材料的批量制备，可以用作产品的生产，也可以进行技术转让。创新内容：（1）尽管阳极氧化制备TiO2纳米管阵列发展了已近10年，但如何制备大面积极少缺陷的纳米管阵列膜及其通孔自支撑膜一直是制约其大规模应用和生产的关键问题。我们经过多年摸索研究发展了一套完整的阳极氧化TiO2纳米管阵列的制备技术，其中包括纳米管材料尺寸的可控制备以及成熟的脱膜和通孔技术，克服了传统工艺中的问题，为TiO2纳米管阵列材料的工业化生产提供了基本完备的制备工艺。（2）设计了阳极氧化制备TiO2纳米管阵列、多孔氧化铝模板和多孔硅的集成装置，并拥有制备上述材料的完备工艺，可同时进行生产。（3）形成了碱热法制备TiO2纳米管粉体材料的完备工艺，克服传统方法提纯难的问题，发展了制备高纯TiO2纳米管的新方法。市场前景及经济效益分析：二氧化钛又名氧化钛或钛白，俗称钛白粉，是应用最广、用量最大的一种白色颜料，其产量占有全球颜料总产量的70%。二氧化钛与人类的生活息息相关，因其无毒无害，故应用的层面相当广泛。2000年，日本在约18.3万公吨二氧化钛的需求中，45%用在涂料、油墨/颜料占20%、合成塑胶占10%、造纸占10%，其它应用包括橡胶、化学纤维、电容器、化妆品、食品合计占14%。全球在1999年共需求二氧化钛382万吨，也是以在涂料的消耗量占多数(57%)，其次为塑胶、造纸。二氧化钛是不溶于水的白色固体，它具无毒的特性，它与氧化铁或其它氧化物合用可做为色釉或色素，常用于化妆品工业及食品工业中，是世界标准的食品添加物，CAS序号为#13463.67.7。 二氧化钛作为优异的光催化材料商机巨大，可广泛应用于环境保护、化妆品、涂料、除臭、空气净化、防雾抗菌、污水处理、光催化制氢等领域。随着人们健康和环保意识的增强，人们对具有光催化净化室内外空气、抗菌杀毒等功能性绿色环保材料的需求日益迫切，纳米TiO2光催化剂的出现为环境净化材料的发展开辟了一片新天地，也为人们对健康环境需求的解决提供了有效的途径。同时，二氧化钛又是一种优良的无机多功能半导体材料，广泛用于染料敏化太阳能电池、量子点电池、光电产氢等领域。我们研发的TiO2纳米管材料，除了具备目前上述商业所用钛白粉材料的性能和优点之外，还有自身纳米管结构带来的更优异的光电转换效率、光学特性、电学特性等，特别是其超高比表面积和高度有序性将在太阳能电池重金属污染、持久性有机污染物的消减，高毒性有机污染物的快速检测，绿色清洁能源的构建等领域具有重要科学研究意义。以此我们所研发的TiO2纳米管材料，性能优异，生产设备简单，成本低廉，推广应用市场前景广阔。
