[发明专利]一种尺寸可控的球形锐钛矿型TiO2介晶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属氧化物功能材料的制备领域，特别涉及一种尺寸可控的球形锐钛矿型TiO₂介晶及其制备方法。

背景技术

环境和能源是制约人类可持续发展的两大难题。如何有效地降解污染物、寻找清洁能源是解决上述问题的关键。二氧化钛（TiO₂）作为一种重要的宽禁带功能半导体氧化物材料，具有化学性质稳定、适当的能带（电子）结构、无毒、价格便宜，在光催化剂、染料敏化太阳能电池及锂离子电池方面具有广阔的应用前景。一般来说，材料的性能取决于材料的结构，通过对材料进行结构设计，可以改善材料的性能。近几年来，分级结构因其独特的物理化学性质及优异的性能备受人们关注。比如，分级介孔TiO₂显示出比P25更强的光催化能力；分级介孔Li₄Ti₅O₁₂微球在高倍率下也能表现出较高的嵌锂容量。通常，分级结构是由低维度（0D、1D、2D）的纳米单元组装而成的多晶。但是，在很多情况下，分级结构的多晶晶界会成为电子、空穴复合的势肼、阻碍电子的传输等。因此，如何控制纳米单元的组装形成单晶性质的分级结构（介晶）就尤为重要。介晶是结晶取向相同的纳米晶自组装而形成的超结构，正是这种高度的取向性，导致介晶具有类单晶的结构。普遍认为介晶是由多晶转变成单晶过程中的介稳中间相。介晶的晶化方式也和传统的结晶方式截然不同。传统的结晶过成的是由分子或者原子控制的，而介晶的结构单元的纳米晶，主要包含一个由自组装基的非典型晶化过程。

到目前为止，关于TiO₂介晶的研究工作也比较多，主要集中在介晶的制备及生长机理等方面的探究，很少是关于介晶形貌、尺寸的控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种尺寸可控的球形锐钛矿型TiO₂介晶及其制备方法。

本发明采用的技术方案为：

一种尺寸可控的球形锐钛矿TiO₂介晶，以苯甲酸作为表面活性剂，通过控制反应体系中苯甲酸的含量而得到的，苯甲酸含量越高，球形颗粒的尺寸越大且尺寸分布越窄。

所述的反应体系为苯甲酸-钛酸四丁酯-乙酸。

所述的苯甲酸含量为1.5-9g，钛酸四丁酯体积为0.75mL，乙酸体积为30mL，球形锐钛矿TiO₂介晶的颗粒大小为230-270nm。

所述的球形介晶的生长过程中，主要包括花状中间物的形成、中间物的水解-聚合、TiO₂纳米晶的形成及自组装。

一种所述的尺寸可控的球形锐钛矿TiO₂介晶的制备方法，具体步骤为：

1）将苯甲酸加入到乙酸溶液中，室温搅拌30min直至苯甲酸完全溶解，得到澄清透明的溶液；

2）将钛酸四丁酯逐滴加入到步骤1）得到的溶液，室温搅拌30min，得到白色乳浊液；

3）将步骤2）获得的乳浊液转移至反应釜中，反应釜密封放置在烘箱中，加热至200℃，保温24h，待反应釜自然冷却至室温，经离心分离、洗涤、干燥，得到白色粉末；

4）将步骤3）获的粉末样品，400℃热处理去除残留的有机物，最终得到球形锐钛矿TiO₂介晶。

步骤1）中苯甲酸含量为1.5-9g，乙酸体积为30mL。

步骤2）中钛酸四丁酯体积为0.75mL。

步骤3）中反应釜体积为75mL，干燥温度为70℃,干燥时间为12h。

步骤4）中热处理在马弗炉中进行，升温速率为10℃/min，保温时间为30min。

本发明首次采用了溶剂热方法，利用苯甲酸作为表面活性剂，通过控制苯甲酸的添加量，制备了一系列尺寸的球形二氧化钛介晶。制备的样品具有较高的结晶度和较大的比表面积。另外，通过对制备的样品形貌进行表征，发现为球形，且单个颗粒的选取电子衍射为衍射斑点，证明合成的球形颗粒具有类似单晶的结构，结合高分辨照片可以看到15nm的纳米晶结构单元，证明在苯甲酸-钛酸四丁酯-乙酸体系中成功合成了球形锐钛矿TiO₂介晶。通过改变反应体系的时间，发现产物的形貌的变化规律，提出了球形介晶的生长机理。最后改变反应物苯甲酸的添加量，制备了不同尺寸的球形介晶且苯甲酸含量越高，球形尺寸越大，尺寸分布越窄。合成的球形锐钛矿TiO₂介晶在锂离子电池方面具有优异的性能和广阔的应用前景。