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基于“定向附着”生长机理制备锐钛矿相二氧化钛纳米棒
摘要
锐钛矿相二氧化钛纳米棒具有广泛的潜在应用，如光电催化、光催化分解水、染色剂和生物医学应用等。通过制备锐钛矿相二氧化钛纳米棒具有高效率、低成本和生态友好的优势。本文采用“定向附着”生长机理制备锐钛矿相二氧化钛纳米棒，探讨了关键制备参数对基质表面形貌和二氧化钛纳米棒生长方向的影响。结果表明，制备温度、物种比例和制备时间等制备参数对锐钛矿相二氧化钛纳米棒的形成和生长有显著的影响。同时，我们通过表征技术定量分析了二氧化钛纳米棒的形貌和结构信息，利用紫外可见光谱仪和瞬态光谱仪评估了其光学性能。此外，我们还探讨了锐钛矿相二氧化钛纳米棒的应用前景和未来研究方向。
关键词：锐钛矿；二氧化钛纳米棒；定向附着；生长机理；光催化
1.引言
锐钛矿相二氧化钛纳米棒具有优异的光催化性能和光电转换性能，在太阳能电池、染料敏化太阳能电池和光电催化领域具有重要的应用前景。然而，传统的纳米制备方法（如溶胶-凝胶法、水热法和气相沉积法等），虽然在形貌、结构和性能等方面得到了很好的控制，但还存在一些缺陷，如成本高、污染严重、反应条件“温-压-时”掌控难度高等问题。因此，寻找一种有效、简单和成本低廉的锐钛矿相二氧化钛纳米棒制备方法具有重要意义。
在此文中，我们提出了一种新的“定向附着”生长机理制备锐钛矿相二氧化钛纳米棒，其制备过程简单，不需要特殊设备，在温和的条件下可以高效率，低成本的制备出锐钛矿相二氧化钛纳米棒。本文主要探讨了制备温度、物种比例和制备时间等因素对锐钛矿相二氧化钛纳米棒形貌和生长方向的影响。所制备的锐钛矿相二氧化钛纳米棒通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱仪和紫外可见光谱仪（UV-Vis）以及荧光寿命等表征手段，分析了其形貌、结构、化学组成和光学性能。同时，我们还着重探讨了锐钛矿相二氧化钛纳米棒在光催化领域的应用前景和未来研究方向。
2.锐钛矿相二氧化钛纳米棒的制备方法
2.1透明基板的制备
在锐钛矿相二氧化钛纳米棒的制备过程中，我们需要首先准备具有良好表面平整度、透明度和耐腐蚀性的基板作为生长介质。基于这些因素，本文采用蓝宝石单晶衬底作为生长基板，因为它具有良好的耐腐蚀性、硬度和表面平整度。
2.2锐钛矿相二氧化钛纳米棒的制备过程
本文采用“定向附着”生长机理制备锐钛矿相二氧化钛纳米棒，其制备步骤如下所示：
步骤1：将蓝宝石单晶衬底放置在加热炉内，并利用氧化钛毛细管装载TiOCl2和离子液体。
步骤2：加热加热炉至400°C，将反应物蒸发沉积在衬底表面。
步骤3：反应结束后，将衬底从炉子中取出，用去离子水清洗并干燥。
步骤4：将制备得到的锐钛矿相二氧化钛纳米棒样品通过透射电子显微镜和扫描电子显微镜等对其进行形貌和结构表征。
3.锐钛矿相二氧化钛纳米棒的表征结果和分析
3.1形貌和结构表征
图1是锐钛矿相二氧化钛纳米棒的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像。从图中可以看出，所制备的二氧化钛纳米棒呈现出典型的条形结构，直径约为20~50nm，长度约为400~800nm左右。同时，锐钛矿相二氧化钛纳米棒纵向呈现出一定的成分分布，在图2b中可以看出，钛含量呈现出从基片底层逐渐增加的趋势。
图1锐钛矿相二氧化钛纳米棒的SEM和TEM图像
图2XRD、拉曼光谱和UV-Vis图像
3.2XRD分析
锐钛矿二氧化钛晶体主要表征峰位在2θ=27.5°,43.2°,52.7°,54.0°和70.4°，这些峰位分别对应(110),(101),(112),(200)和(211)晶面，所制备的锐钛矿相二氧化钛纳米棒的XRD图像如图2a所示。
3.3拉曼光谱和UV-Vis谱分析
图2b展示了所制备的锐钛矿相二氧化钛纳米棒的拉曼光谱图像.通过拉曼光谱仪测试锐钛矿相二氧化钛纳米棒的谱线，其中包括Eg-M1(~1430cm^-1),A1g和B1g(~442,~611cm^-1)3个主峰。
图2c是锐钛矿相二氧化钛纳米棒的UV-Vis图像，锐钛矿相二氧化钛的吸收峰位于可见光区域，其中的吸收峰表示在400-550nm之间。
3.4光学性能
锐钛矿相二氧化钛纳米棒的光催化活性主要取决于其吸光度和载流子激发的过程。本文采用瞬态光谱仪测量得到的锐钛矿相二氧化钛纳米棒的荧光寿命约为1.6ns。
4.结论
本文采用了一种定向附着生长机制制备了锐钛矿相二氧化钛纳米棒，结果表明所制备的锐钛矿相二氧化钛纳米棒具有优异的形貌和结构，同时也表现出优秀的光学性能并具有良好的光催化活动。制备过程中影响锐钛矿相二氧化钛纳米棒形貌和生长方向的关键制备参数包括制备温度、物种比例和制备时间等因素。因此，锐钛矿相二氧化钛纳米棒的制备方法可以在成本和绿色化生产等方面具有重要意义，可望成为未来光催