[发明专利]一种具有高活性(110)面的锐钛矿TiO2单晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛材料的制备方法，特别涉及一种具有高活性(110)面的锐钛矿TiO₂单晶的制备方法。

背景技术

二氧化钛是一种安全无毒、化学性质稳定、低成本的半导体氧化物，在光催化、污水处理和太阳能电池等领域有着广泛的应用。

二氧化钛的应用与其晶体结构和表面性质有着密切的联系。有文献证明，锐钛矿单晶各晶面的表面能大小顺序是：1.09J/m²((110)面)＞0.90J/m²((001)面)＞0.53J/m²((100)面)＞0.44J/m²((101)面)(physical review B，2002，65，119901)。在晶体生长的过程中，晶体的表面能量会趋于最小化，高能面很快减小并消失，因此很难制备出具有(110)面的锐钛矿二氧化钛单晶。

2008年，这方面研究取得突破性进展(Nature，2008，453，638-641)，研究者利用氟离子对氧化钛晶面的控制作用，合成出了多种具有大比例(110)面的锐钛矿单晶。例如[J.Am.Chem.Soc.，2009，131，4078]、[J.Am.Chem.Soc.，2009，131，12868]、[Chem.Commun.，2009，4381.]、[Chem.Commun.，2010，46，755.]、[Chem.Commun.，2010，46，1644.]、[J.Phys.Chem.C，2009，113，12954]和[Cryst.Growth Des.，2010，10，1130]。然而到目前为止，具有(110)面的锐钛矿单晶的合成始终未见专利报道。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种以低廉钛源为原料，通过简单、温和的反应过程制备具有高活性(110)面锐钛矿TiO₂单晶的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种制备具有高活性(110)面的锐钛矿TiO₂单晶的方法，该方法包括以下步骤：

(1)向钛粉中依次加入水、氢氟酸和双氧水，搅拌得到含钛溶液；

(2)使所述含钛溶液在反应釜中于120～220℃下密闭反应1～40小时；

(3)将步骤(2)得到的反应产物用水和有机溶剂洗涤，直至其pH值为7±0.5，然后干燥，得到固体；

(4)将步骤(3)得到的固体研磨后于120～900℃下煅烧1～6小时，即得到具有高活性(110)面的锐钛矿TiO₂单晶。

根据本发明提供的制备方法，其中，所述钛粉可以为各种含钛单质或化合物的粉末，例如，可以选自金属钛的粉末、氧化钛粉末、TiCl₄粉末和Ti(SO₄)₂粉末中的一种或多种。

在所述步骤(1)中，相对于1mol的钛，水的体积可以为50000～250000ml，优选为100000～200000ml；氢氟酸的浓度可以为50～56mol/L，体积可以为240～960ml，优选为360～600ml；双氧水(30重量％的水溶液)的体积可以为2400～48000ml，优选为4800～24000ml。其中，所述水优选为高纯水。所述氢氟酸可以为常规的氢氟酸，也可以是通过加入碱金属或铵的氟化物与硝酸或硫酸反应生成的氢氟酸。

优选地，在步骤(1)中，所述搅拌为电磁搅拌，搅拌时间可以为5～30分钟。

根据本发明提供的制备方法，其中，在所述步骤(2)中，反应温度优选为150～200℃，反应时间优选为10～20小时。

在本发明的制备方法中，优选地，步骤(3)中的洗涤是用去离子水冲洗1～10次，每次用10～2000ml去离子水；之后再用有机溶剂洗涤1～10次，每次用10～2000ml有机溶剂。步骤(3)中所述有机溶剂可以为乙醇、甲醇和丙酮中的一种或多种，优选为乙醇。

根据本发明提供的制备方法，在所述步骤(3)中，干燥的方式包括普通烘箱干燥和真空烘箱干燥，或两种交替使用。干燥的温度可以为70～160℃，干燥的时间可以为2～24小时。真空烘箱干燥时的真空度可以为0.005～0.5MPa。

根据本发明提供的制备方法，其中，在所述步骤(4)中，煅烧温度优选为400～600℃，煅烧时间优选为1～3小时。

本发明与现有技术相比，具有如下优势和特点：