[发明专利]一种暴露(010)晶面的超薄钛酸纳米带及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种暴露(010)晶面的钛酸纳米带及其制备方法。

背景技术

纳米钛酸可用作化纤消光剂，海水吸附剂，化学合成催化剂，印染工业媒染剂，作为原材料制备纳米二氧化钛光催化剂等等，其用途非常广泛。

一维纳米带由于不仅具有纳米材料的储多优良特性，同时也具有比零维纳米粒子更容易回收、更好的可操控性等优点，自2001年王中林教授报道氧化锌纳米带以来，一维带状材料受到了人们的广泛关注。由于具有成本低廉、产品纯度高、操作简单、可重性好等优势，水热法是制备一维钛酸纳米材料最为常用的方法之一。通过将二氧化钛与碱溶液混合进行水热反应制备钛酸钠，再经酸洗(质子交换)等步骤，可方便地制备出一维钛酸纳米材料如纳米管，纳米线、纳米带等。产物形貌取决于水热反应温度。一般来说，在较低的水热反应温度下(＜170℃)，制备的产物为钛酸纳米管；而在较高的水热温度下(＞180℃)，才能制备出钛酸纳米带、纳米线等(CatalysisTody,2014,225:34；J.Mater.Chem.,2010:5993)。但是，采用该方法制备钛酸纳米带也存在一些问题：1.制备出的钛酸纳米带的厚度通常大都在20～50nm，宽度约为50～200nm，从而导致钛酸纳米带的比表面积较小，不利于催化活性的提高(J.Mater.Chem.,2010:5993)，由于其较大的厚度及宽度也同时意味着其具有较大的两端面积，在对于长度一定的钛酸纳米带而言，会直接影响活性晶面的暴露比例；2.较高的水热反应温度，势必会导致水热反应体系的压力增大，从而对水热反应釜要求更为苛刻，增大了反应的危险性，这对钛酸纳米带的大规模工业化生产是非常不利的；3.钛酸纳米带的暴露晶面不可控。理论和实验研究表明：异相催化的反应速率与催化剂及载体的暴露晶面有关，高表面自由能(010)晶面比热力学稳定的(101)晶面具有更高的催化活性。但是，由于表面自由能越高的晶体，在晶体生长过程中越不稳定，因此如何制备暴露(010)晶面的钛酸纳米带是一大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超薄的暴露(010)晶面的钛酸纳米带。

本发明另一目的在于提供一种暴露(010)晶面的超薄钛酸纳米带的制备方法，不仅降低了钛酸纳米带的制备温度，有效降低了生产能耗和生产成本；同时，所制备的钛酸纳米带具有更小的厚度及宽度，并且主要暴露(010)晶面。。

本发明的目的是通过如下方式实现的：一种暴露(010)晶面的超薄钛酸纳米带，该超薄钛酸纳米带的厚度为2～5nm，宽10～30nm，所述的钛酸纳米带基本面暴露的晶面为(010)晶面；所述钛酸纳米带为六面体，钛酸纳米带基本面为六面体中的两个最大面。

一种暴露(101)晶面的超薄钛酸纳米带的制备方法，包括以下制备过程：水热反应、醇辅助自组装反应、水洗和干燥；

所述水热反应过程为：将纳米二氧化钛与强碱溶液加入水热反应釜中，在120～170℃下水热反应；所述醇辅助自组装反应过程为：用含醇的无机酸水溶液与水热反应产物反应。

本发明特别优选的水热反应温度为120～150℃。

所述醇为碳原子数为1～22的脂肪醇(C_nH_2n+2O或C_nH_2nO，n＝1-22)、碳原子数为6～20的芳香醇(C_mH_2m-4O或C_mH_2m-10O，n＝1-22)中的一种或几种。

所述醇与纳米二氧化钛的摩尔比为0.1:1～10:1，优选0.5:1～5:1。

所述的水热反应时间为6～72小时。

所述水洗过程为：用去离子水将醇辅助自组装反应的产物洗涤至pH＝3～7，优选pH＝5.5～7。

所述干燥过程为：将水洗后产物在40～150℃烘干。

所述强碱为氢氧化钠或氢氧化钾或它们的混合物。其水溶液的浓度为1～20摩尔/升，优选5～12摩尔/升。

所述无机酸溶液是盐酸或硝酸。其浓度为0.01～10.00摩尔/升。