[发明专利]一种分级混晶TiO2微纳米材料、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种物理混合法制备分级混晶TiO₂微纳米材料及其用途，特别涉及一种由二维纳米片组装的锐钛矿型分级TiO₂和金红石小颗粒组成的分级混晶TiO₂微纳米材料、制备方法，以及其在光催化领域的用途。

背景技术

TiO₂纳米材料由于其具有良好的稳定性、光催化效率高、环境友好及价格低廉等优点，已成为光催化领域人们研究最深入的半导体材料之一。TiO₂的光催化活性、折射率等物理化学性质与其晶型、形貌、大小、比表面积及外露晶面等因素有关。因此，如何有效地调控TiO₂的晶型和形貌，使其更好地发挥各种优势性能，拓展其应用领域，一直是光催化领域研究的热点。

近年来，关于二维纳米材料的研究日益增多，由其组装成一定分级结构的微纳米材料是今后二维材料的发展趋势。

本申请人的在先申请CN103073057A公开了一种分级混晶TiO₂微纳米材料，所述微纳米材料为纳米线组装形成的花状结构，所述花状结构的直径为2～4μm，纳米线直径为10～30nm，纳米线长度为0.9～2μm，晶型组成为锐钛矿-金红石型混晶。

本申请人的在先提交的但未公开的申请CN201310601539.8公开了一种金红石型二氧化钛微纳米材料，所述微纳米材料为纳米线组装形成的分级花状结构，所述花状结构直径为400～600nm，纳米线直径为5～10nm，纳米线长度为200～300nm。

上述已有技术公开的微纳米材料均为一维纳米线组装形成的分级花状结构，限制了TiO₂微纳米材料作为催化剂的催化活性和结构稳定性。

发明内容

针对已有技术的问题，本发明的目的之一在于提供一种形貌新颖、性能优异的分级混晶TiO₂微纳米材料，其具有优异的光催化活性、结构稳定性以及使用稳定剂。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种分级混晶TiO₂微纳米材料，所述微纳米材料由二维纳米片组装形成的具有分级花状结构的锐钛矿TiO₂和金红石颗粒组成，所述花状结构的直径为0.8～2μm，纳米片宽为50～100nm，金红石颗粒直径为5～15nm，金红石颗粒的质量百分比为1～40%。若分级混晶TiO₂微纳米材料中金红石含量过多，则会造成锐钛矿花状表面完全被金红石覆盖，减少了分级混晶TiO₂的孔结构和比表面积，从而阻碍反应物与TiO₂的接触，造成活性下降。

本发明中的二维纳米片有序的组装成分级TiO₂微纳米材料，使得TiO₂在使用过程中能够保持结构稳定性和使用稳定性，这是催化剂工业化应用所必须具有的性能。同时，纳米级的片状基元结构，能够缩短光生电子和空穴的迁移时间，有效提高分离率，从而提高材料的光催化活性。而且，二维纳米片状基元结构可以被充分利用，与一维纳米线相比，显著增大了光催化反应的接触面积，从而进一步提高了材料的光催化活性和结构稳定性。

本发明材料的另一个结构优势是由锐钛矿和金红石组成的混晶结构。锐钛矿-金红石型的混晶效应同时提高了分级混晶TiO₂微纳米材料作为催化剂的催化活性。两相形成的异质结结构，由于能带位置的不同，光生电子能够从锐钛矿迁移至金红石，从而造成光生电子-空穴对的有效分离，最终提高光催化活性。

本发明有效结合片状分级微纳米结构和锐钛矿-金红石型混晶结构，得到了催化活性和结构稳定性均十分优异的分级混晶TiO₂微纳米材料。

所述花状结构的直径为0.8～2μm，例如0.8μm、0.9μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm或1.9μm，优选1～1.5μm。

所述纳米片宽为50～100nm，例如53nm、56nm、59nm、62nm、65nm、68nm、70nm、71nm、74nm、76nm、77nm、80nm、83nm、85nm、86nm、89nm、92nm、95nm或98nm，优选60～70nm。

金红石颗粒的直径为5～15nm，例如6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm或14nm，优选8～10nm。