[发明专利]一种具有分级结构的TiO2材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有分级结构的TiO₂材料及其制备方法和用途，特别涉及一种由二维纳米片组装的分级TiO₂材料及其制备方法和用途。

背景技术

TiO₂作为一种重要的半导体氧化物，以其独特的物化性能被广泛应用于颜料、涂料、油墨、化妆品和冶金等领域。特别是其优异的光催化与光电性能，使TiO₂在光催化和太阳能电池等新兴产业中也获得了大量的应用。TiO₂的这些应用与其自身的形貌、尺寸、晶体结构和维度有着密切的联系。研究发现，三维分等级的微米/纳米复合结构同时具有微米和纳米材料的双重优势，并抑制二者结构上的不足，为开发材料新特性提供了机会，因而成为微纳米材料领域的研究热点。分等级TiO₂具有较大的比表面积、良好的光吸收和折射率。高比表面积有助于光生载流子的生成、迁移和反应物在表面的吸附，同时利于光的吸收与折射，使TiO₂分级结构表现出了更高的光催化活性。

目前，微纳米TiO₂材料的制备方法有磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、水/醇热法及微乳液法等，其中，水/醇热法是制备分等级TiO₂微纳材料的常用方法。但水/醇热法制备纳米材料需要在特制的密闭反应器中，高温高压条件下进行化学反应，因此，其对反应设备要求高、能耗较大、成本偏高。文献[催化学报2011，32，525-531]以钛酸盐纳米管为原料，在氢氟酸-水-乙醇的混合体系中，采用醇热法180℃反应24小时制备由纳米片自组装的分等级TiO₂结构。但是制备TiO₂之前，要合成钛酸盐纳米管，实验过程复杂，且过程中使用对人体有害的氢氟酸。另外，文献[chem.Commun.，2011，47，1808-1811]中也采用醇热法，以钛粉为原料，在氢氟酸-二甘醇体系中，180℃反应8小时制备由纳米片构成的分等级TiO₂。实验中不但用到具有高毒性的氢氟酸，损害人体健康，且实验过程繁琐，反应条件要求高。同时，上述两种方法获得的纳米片分级TiO₂，在形貌上由作为二维基元的纳米片直接构成，不是由零维基元的纳米颗粒构成的纳米片组装而成。因此，采用操作简单、能耗低的方法制备分级TiO₂显得很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有分级结构的TiO₂材料及其制备方法和用途。

本发明提供了一种具有分级结构的TiO₂材料，所述TiO₂材料包含由TiO₂纳米颗粒构成的纳米片组装而成的花状微粒，其中所述纳米颗粒的粒径为10~80nm，所述纳米片的边长为100~3000nm，厚度为10~100nm，所述花状微粒的平均直径为1000~2500nm。

根据本发明提供的TiO₂材料，其中，每个所述花状微粒中优选地包含边长为500~2000nm，厚度为30~60nm的所述TiO₂纳米片，所述纳米片优选地由粒径为15~50nm的纳米颗粒构成。

优选地，本发明提供的TiO₂材料由花状微粒构成，所述花状微粒由多个作为二维基元的纳米片组装而成，所述纳米片由多个作为零维基元的TiO₂纳米颗粒构成；其中，所述花状微粒、纳米片和纳米颗粒的尺寸如前文定义。

在本发明中，“零维基元”是指空间三维尺度均在纳米级尺度的基本单元；相应地，“二维基元”是指在空间中有一维处在纳米级尺度、另外两个维度处在大于纳米级的尺度的基本单元。根据本发明，所述纳米颗粒为零维基元，所述纳米片为二维基元。

本发明还提供了上述TiO₂材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将钛酸酯以0.01~0.20mol/L的浓度溶于乙醇，得到钛酸酯溶液；

（2）配制去离子水与乙腈的混合液，使水的含量为0.1~1.0重量%；

（3）以1:0.4~3的体积比将步骤（2）的混合液加入到步骤（1）的钛酸酯溶液中，混合均匀后静置反应；

（4）反应完毕后，将得到的白色乳浊液离心分离，洗涤沉淀物并干燥，即得到具有分级结构的TiO₂材料。