水热法制备TiO ２纳米棒阵列及应用研究进展*
周露露１，２，汪竞阳１，屈少华１，罗中杰２，钟志成１，胡 奥１
（１ 湖北文理学院物理与电子工程学院，
襄阳４４１０５３；２ 中国地质大学（武汉）数学与物理学院，武汉４３００７４）摘要 ＴｉＯ２纳米棒阵列由于具有电子传输率高和光散射效应强等优异的特性，从而在太阳能电池、光催化、
光解水制氢等领域中具有广阔的应用前景。主要从水热法制备工艺及生长机理、形貌优化及改性和应用几个方面综述了ＴｉＯ２纳米棒阵列的研究进展，并对今后的研究趋势进行展望。
关键词 ＴｉＯ２纳米棒阵列 水热法 形貌优化 太阳能电池 光催化
中图分类号：ＴＱ１３４．１ 文献标识码：Ａ DOI ：１０．１１８９６／ｊ．
ｉｓｓｎ．１００５-０２３Ｘ．２０１６．０１３．００７Pro g ress on H y drothermal S y nthesis and A pp lications of
TiO ２Nanorod Arra y s
ＺＨＯＵＬｕｌｕ１，
２，ＷＡＮＧＪｉｎｇｙａｎｇ１，ＱＵＳｈａｏｈｕａ１，ＬＵＯＺｈｏｎｇｊｉｅ２，
ＺＨＯＮＧＺｈｉｃｈｅｎｇ１，ＨＵＡｏ１
（１ ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｔｓａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉａｎｇｙａｎｇ４４１０５３；２ Ｓｃｈｏｏｌｏｆ
ＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ４３００７４）Abstract ＴｉＯ２ｎａｎｏｒｏｄａｒｒａｙｓａｒｅｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ，ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓ，ｓｏｌａｒｗａｔｅｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇ（ｆｏｒｈｙ-ｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｈｉｇｈｅｌｅｃｔｒｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙｒａｔｉｏａｎｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔｌｉｇｈｔｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏ-ｖｉｄｅｓａｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＴｉＯ２ｎａｎｏｔｕｂｅａｒｒａｙｓｉｎｔｅｒｍｓｏｆｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｓｙｎｔｈｅｓｉｓｍｅｔｈｏｄａｎｄ
ｇｒｏｗｔｈｍｅｃｈａｎｉｓｍ，
ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｓｗｅｌｌａｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙａｂｒｉｅｆｐｒｏｓｐｅｃｔｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓ．
Ke y words ＴｉＯ２ｎａｎｏｒｏｄａｒｒａｙｓ，ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｍｅｔｈｏｄ，ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ，ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓ
*国家自然科学基金（
５１３０２０７５）；湖北省自然科学基金重点项目（ＺＲＺ２０１５０００２０３） 周露露：
女，１９９１年生，硕士生，从事光电材料与器件研究 Ｅ-ｍａｉｌ：ｃｕｇｚｌｌ＠１６３．ｃｏｍ 汪竞阳：通讯作者，男，博士，讲师，从事光电功能材料与器件研究 Ｔｅｌ：０７１０-３５９６１３０ Ｅ-ｍａｉｌ：ｊｙ
ｗａｎｇ１９７８＠１６３．ｃｏｍ０ 引言
ＴｉＯ２一维纳米材料如纳米棒、
纳米管、纳米线等因独特的物理化学特性而备受研究人员的关注［１－５］
，其中ＴｉＯ２一维
纳米棒阵列由于具有电子传输效率高、光生电子-空穴易分离、光散射效应强等优点从而在太阳能电池、光催化、光解水
制氢、
气体传感器等能源环境应用领域成为研究热点［６－８］
。目前ＴｉＯ２纳米棒阵列的制备方法主要有水热法、模板法、金
属有机化学气相沉积法、直接氧化法、超声法等［９，１０］
，其中，模
板法需结合其他制备方法使用，存在制作模板工艺繁杂、生产率低、形貌受模板限制、不易大面积制备等缺陷；金属有机化学气相沉积法虽然合成产物时间短纯度高，但是制备工艺复杂，对设备要求较高等；直接氧化法制备的产物形貌结构不可控；
超声法操作简单、成本低且可控制颗粒尺寸及分布，但需要超声辅助设备；而水热法具有简单温和、易制备、成本低、产率高等优点。研究人员对ＴｉＯ２纳米棒阵列的水热法制备工艺及生长机理、
形貌及结构调控和应用进行了大量研究，本文系统归纳总结了相关研究工作和最新研究进展。
１ TiO ２纳米棒阵列的水热法制备
１．１ 水热法制备工艺及生长机理
水热法制备ＴｉＯ２纳米棒阵列是在以聚四氟乙烯为内衬的高压反应釜中，在中低温下，以钛酸四丁酯等为钛源前驱体，ＦＴＯ导电玻璃、ＩＴＯ、玻璃、硅片等为基底，在酸性水溶剂条件下高压密封进行的反应。而水热法条件将对ＴｉＯ２纳米棒阵列的生长造成直接影响，研究者们主要探索了水热前驱液浓度、钛源、添加剂、反应时间和反应温度等工艺参数对ＴｉＯ２纳米棒阵列形貌的影响规律。
Ｙｕ等［１１］
研究了以钛酸四丁酯、浓盐酸与去离子水为原料，利用水热法制备ＴｉＯ２纳米棒阵列的生长机理，如图１所示，水热法合成ＴｉＯ２纳米棒阵列过程分为两步：成核及ＴｉＯ２纳米棒阵列的生长。首先，钛盐在酸性条件下缓慢水解生成
（）ＴｉＯＨ４－n
n
与Ｈ＋，见反应式（１），进而通过异相成核反应形成ＴｉＯ２晶核，见反应式（２）
；其次，在酸性条件下ＴｉＯ２晶核生长过程中Ｃｌ－会优先吸附在ＴｉＯ２（１１０）晶面，减缓（１１０）面的生长速率，从而促使ＴｉＯ２沿［００１］
取向各向异性生长形成·
３４·水热法制备ＴｉＯ２纳米棒阵列及应用研究进展／周露露等