[发明专利]基于低共熔溶剂合成的微纳二氧化钛和制备方法及应用

说明书

本发明公开了基于低共熔溶剂合成的微纳二氧化钛和制备方法及应用，采用低共熔溶剂作为溶剂兼模板剂合成微纳TiO₂，通过调节氢键供体的结构，在不另加各种稀释剂、pH调节剂和模板剂且避免高温煅烧的条件下，可控制备出具有不同形貌的高活性光催化剂，从而开发出催化剂形貌易调控、合成过程简单绿色、反应条件温和、反应时间短和催化活性高的二氧化钛合成新方法，这将为纳米材料的简单易控绿色制备提供一种有效的合成途径。

技术领域

本发明涉及绿色、清洁合成和光催化技术领域，具体涉及基于低共熔溶剂合成的微纳二氧化钛和制备方法及应用。

背景技术

微纳二氧化钛因物理化学性质稳定、耐光腐蚀能力强、价格低廉、无毒易得、环境友好且紫外区光催化性能优异等特点而广泛应用于光催化降解污染物、光解水制氢、染料敏化太阳能电池和太阳能燃料的人工光合成等领域。然而，二氧化钛作为光催化剂也存在着一些缺点需要克服，如光生电子空穴易复合造成的量子效率低和宽禁带导致的吸收光谱范围窄。面对这些挑战，大量研究用来修饰二氧化钛的性质来提高电荷转移或拓展可见光吸收范围，包括贵金属或金属氧化物沉积，非金属元素或离子掺杂、量子点负载和电子载体耦合。除了上述在二氧化钛中引进额外元素的策略，开发具有新型微纳结构的二氧化钛也是提高量子效率的可替代方法。研究已经证明锐钛矿二氧化钛的固有性质依赖于其形貌、尺寸和暴露晶面，因此，大量的研究开始聚焦于可控合成各种形貌、不同尺寸和特定晶面暴露的微纳结构二氧化钛。其中，在微纳二氧化钛的形貌调控方面，已经开展了大量的工作，并取得了很大的进展。但在形貌控制合成的过程中，还面临着一些问题需要解决，如合成步骤繁琐、后序常需高温煅烧处理、合成过程还需加入表面活性剂作为形貌控制剂、有机溶剂作为稀释剂和无机酸作为pH调节剂等。因此，新型高活性微纳二氧化钛绿色易制备方法的开发依然是微纳材料合成领域的一个极大挑战。

室温离子液体因具备蒸气压低、液程宽、不易燃、导电性高、稳定性好、电化学窗口宽和阴阳离子可调等优良性质，在催化、有机合成、电化学、材料化学、制药和生物质预处理等应领域。但是大部分离子液体中为了完成阴离子的交换，通常需要引进大量的盐和溶剂，且在分离过程中，也常用到有机溶剂，因此它们的合成过程是远远达不到环境友好的。同时，普通离子液体的合成原料价格高，造成传统离子液体的价格昂贵。这些因素严重阻碍了离子液体的工业化进程。因此，在保证离子液体必要特性的基础上，选择安全低廉的原料，简化合成方案，制备出更加绿色经济的新型离子液体是离子液体产业化应用的关键问题之一。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供了基于低共熔溶剂合成的微纳二氧化钛和制备方法及应用，其合成过程简单绿色、反应条件温和、反应时间短，制备的二氧化钛形貌易调控、活性高。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

低共熔溶剂在合成微纳二氧化钛中的应用。

低共熔溶剂是指由氢键受体(如季铵盐)和氢键给体(如酰胺、羧酸和多元醇等化合物)组合而成的两组分或三组分低共熔混合物，其凝固点显著低于各个组分纯物质的熔点。低共熔溶剂不仅具有传统离子液体的热稳定性、可忽略的蒸汽压、较宽的电化学势窗口等优点，还具有容易合成、原料价格低廉、无毒和可生物降解的优势。另外，低共熔溶剂的合成具有100％原子经济性，易操作且不用纯化，更适于工业化。

本发明中所述的微纳二氧化钛是具有微纳结构的二氧化钛，所述微纳结构为微米结构、纳米结构或者两者相结合的阶层结构。

在本发明中，低共熔溶剂具有(1)较强的溶剂性；(2)传统离子液体的性质；(3)内部氢键网络结构使其具有超分子性能，从而可发挥软模板作用；(4)可通过调节氢键供体和氢键受体的种类，调节其结构和性能，使得在制备微纳二氧化钛时，无需加入各种稀释剂、pH调节剂和模板剂且避免高温煅烧，从而可控制备出具有高光催化活性的微纳二氧化钛。

优选的，所述低共熔溶剂为氯化胆碱与氢键给体合成而得。