[发明专利]一种可控的不同暴露晶面的TiO2纳米晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及暴露不同晶面的TiO₂纳米晶的制备。

背景技术

TiO₂作为一种宽禁带半导体，因为化学性质稳定、来源广泛、光催化性质突出因而受到人们的广泛关注。自从Fujishima和Honda发现TiO₂光催化分解水的现象后，近40年来关于TiO₂的研究遍及了各个方面。对于单纯的TiO₂来说，由于它的带隙很大（锐钛3.2 eV，金红石3.0 eV），因此只能利用太阳光中的紫外光部分，光利用效率很低，因此需要开发出具有可见光相应的光催化剂。研究人员从各个方面来提高TiO₂的光催化性质，常见的手段有：金属粒子掺杂，非金属掺杂，半导体复合，表面敏化等等。这些传统的手段都能够改善TiO₂的光催化性能，但是主要还是从“外部”的角度来考察这个问题，很少从TiO₂的本身这个对象来考虑。其实，对于TiO₂本身来说，情况也比较简单。他常见的晶型主要是锐钛（anatase）和金红石（rutile）两种（还有TiO₂-B以及板钛矿等）。一般来说，锐钛比金红石活泼,光催化活性更高。在过去，人们都忽略了暴露晶面对其光催化活性的影响。通常条件下得到的锐钛TiO₂是暴露{101}面（占80%以上），还有少量的高能晶面{001}和{100}等。这些晶面通常情况下暴露的比例很低，这是由TiO₂晶体生长的性质决定的。

在控制TiO₂纳米晶暴露晶面方面，Gao Qing Lu课题组率先取得了突破。他们通过第一性原理的量子化学计算发现，当F吸附在TiO₂{001}面上时，会显著的降低其表面能量，使得{001}面表面能低于{101}面。基于上述理论计算结果，他们利用在含有F^-的溶液中水热法合成TiO₂纳米晶，得到了暴露47%{001}晶面的TiO₂纳米晶。

在他们的工作之后，Xie等人也通过水热法制备了暴露了最高可达89%{001}面的TiO₂纳米晶。值得强调的是，他们的方法操作简便，得到的TiO₂纳米片光催化活性高，是一种非常好的制备方法。而Lu等人的方法，得到的TiO₂纳米晶尺寸都是微米级的，其实没有太多实际的光催化活性。 

最近的两年，暴露{001}面TiO₂纳米晶或者说纳米结构方面的文章非常多， 基于TiO₂不同晶面的光催化性质研究方面，还是有几篇工作值得介绍的。首先是Hui Ming Cheng等人制备了微米级的暴露不同晶面的TiO₂,然后测试了他们的光催化活性。他们的结果表明，TiO₂的{100}相比于{101}和{001}具有更高的活性。他们把原因归结为不同的晶面具有不同的能级结构，以及表面原子的配位状态。但是显然，这样的解释并不能让人满意，他们使用的TiO₂样品都是微米晶，和实际使用的TiO₂光催化剂还有很大的差异。

综合前人的研究成果，我们发现，他们的方法大部分只能制备暴露特定晶面的几百纳米到几微米尺寸的TiO₂纳米晶，而对于几十纳米尺寸的TiO₂纳米晶则无能为力。因此，有必要发展一种制备TiO₂纳米晶的方法，能够调控TiO₂纳米晶的暴露晶面，这将为研究TiO₂的催化性质提供一个模型催化剂，同时也有利于发展高活性的TiO₂光催化材料。

发明内容

在前人工作的基础之上，我们发展一种新的方法来制备TiO₂纳米晶，并且控制它们的暴露晶面，这种方法具有以下的优点：1）不适用表面活性剂；2）产量较高；3）重复性好；4）可以系统的调节TiO₂纳米晶的晶型和晶面。 

本发明的技术方案如下：

一种可控的不同暴露晶面的TiO₂纳米晶的制备方法，它包括如下步骤：