[发明专利]板钛矿二氧化钛纳米晶及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种具有特殊裸露晶面的纯相和贵金属负载型板钛矿二氧化钛纳米晶光催化材料及其制备方法。

背景技术

纳米材料由于具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应等，使得其在催化、磁性、电学和光学等方面呈现出不同于宏观材料的特殊性能。借助于纳米材料的特殊性质，半导体材料在光、电、磁、传感器等领域的应用得到了很大的扩展。其中，二氧化钛作为一类用途广泛的半导体材料，在催化和光催化、白色颜料和清洁涂层以及染料敏化太阳能电池等领域内都发挥着重要作用。近年来，控制合成具有清晰晶面特别是高能面裸露的无机纳米材料已经成为许多领域的热点之一，由于这些材料的很多独特的光学，电学，以及催化等性能都来源于形貌效应。

作为一类非常优异的光催化材料，二氧化钛具有无毒，高活性和稳定性的独特优势。二氧化钛在自然界中主要有三种晶型，即锐钛矿、金红石和板钛矿。其中，锐钛矿和金红石由于比较容易合成而在理论和实际应用各方面都得到了很深入的研究和应用。然而，作为一种亚稳相的板钛矿常常出现在锐钛矿和金红石的混合相中，而纯相板钛矿的合成则相当困难。尽管有使用钛酸盐或者含钛的络合物为前驱体制备板钛矿的报道，然而这些方法具有很多明显的缺陷，比如采用强碱性(pH ≥ 10)或者强酸性(pH ≤ 2)的溶液，较高的反应温度(≥ 220 ^oC)和较长的反应时间(≥ 48 h)以及复杂的制备过程等，在很大程度上限制了板钛矿晶型二氧化钛的规模化生产和应用；除此之外，具有特定晶面暴露的纳米尺度(≤100 nm)板钛矿的合成则更加困难，文献上鲜有报道。本发明提出的制备高纯度的板钛矿纳米晶的方法简单，原料来源丰富，成本低廉；并且反应体系的碱度低(pH= 8~9),反应温度低(≤200 ^oC),反应时间短(≤ 15 h)等具有极大的优势。而且这种纳米晶具有特定的暴露面，其催化活性明显高于相应的没有规则裸露面的单晶纺锤体状和花状板钛矿。大量的实验研究表明，贵金属纳米颗粒比如金，银，铂，钯等在很多催化反应中具有非常优异的活性，然而由于其价格昂贵而使得它们的应用受到了限制，因此可以通过将贵金属负载到特定的载体上以固定和分散贵金属颗粒从而达到降低催化剂成本的目的。值得一提的是，这种纳米晶在负载贵金属后的光催化活性得到了显著的提高并且超过了商品的Degussa P25。因此，这种板钛矿单晶纳米晶及其贵金属负载型材料在催化和其他相关的领域具有非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有特殊暴露晶面的纯相和贵金属负载型板钛矿二氧化钛纳米晶及其制备方法。

本发明提出的板钛矿二氧化钛纳米晶具有规则的切角四方形轮廓，颗粒大小均一，长度为60~80 nm，宽度为40~60 nm，厚度为15~20 nm，特殊暴露晶面为四个{210}，两个{101}和两个{201}。利用紫外光辐照，实现了贵金属在这些纳米晶上的还原沉积负载。通过调节可溶性贵金属溶液的浓度，可以很容易地得到不同贵金属含量的负载型板钛矿二氧化钛纳米晶材料。而且，这些负载在纳米晶表面的贵金属单质颗粒小，分散均匀。

本发明提出了上述板钛矿二氧化钛纳米晶的制备方法：先将TiCl₄在去离子水中分解成可溶性的含钛络合物，然后采用简单的水热法，以尿素作为原位的氢氧根来源，乳酸钠为络合剂和表面活性剂，通过溶液化学反应产生形成板钛矿的前驱体乳酸钛络合物，然后进一步反应分解得到高质量的板钛矿纳米晶。控制TiCl₄在水溶液的浓度在0.2~0.5 M之间，TiCl₄需要缓慢滴加到搅拌下的水溶液中，并且使用冰水浴冷却溶液；加入的尿素浓度调节至1.0~2.0 M，添加的乳酸钠的量控制在0.2~0.5 M；反应的温度设定为180 ^oC~300 ^oC，反应时间控制在10~48 h。