[发明专利]一种[111]-晶面暴露的锐钛矿型TiO2

说明书

本发明公开了一种[111]‑晶面暴露的锐钛矿型TiO₂纳米晶的制备方法及应用。本发明以层状钛酸盐化合物为前驱体，用氢氟酸和氨水做形貌控制剂，或以氟化铵做形貌控制剂，利用水热法合成[111]‑晶面暴露的长方体状锐钛矿型TiO₂纳米晶。本发明所制备的[111]‑晶面暴露的长方体状锐钛矿型TiO₂可以应用在光催化降解亚甲基蓝、罗丹明B、苯酚等有机污染物中，也可以应用在太阳能电池中。本发明所采用的制备方法是高温固相合成法和水热合成法，流程简单，生产周期短，可控性强，合成成本低；符合“绿色化学”的要求，适用于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种[111]-晶面暴露的锐钛矿型TiO₂纳米晶的制备方法及应用，属于纳米晶材料领域。

背景技术

自1972年Fujishima和Honda发现TiO₂电极可以光解水制备H₂以来，TiO₂由于具有化学性能稳定性、无毒、无污染、价格低廉等优点，使得其在光催化、锂离子电池、太阳能电池等方面具有潜在的应用前景，有望解决世界能源和环境危机问题。在自然界中，TiO₂主要存在锐钛矿型、金红石型和板钛矿型三种结晶形式，其中锐钛矿型TiO₂在光催化降解有机污染物方面显示了最高的光催化性能。众所周知，光催化反应是在催化剂的表面进行的，因此，控制催化剂的表面结构对其催化活性的提高是至关重要的。

近年来，设计合成与制备具有特定形貌和高活性晶面暴露的TiO₂受到了研究者的广泛关注。锐钛矿TiO₂的高活性晶面是指表面能高于{101}晶面的晶面，主要有{001}、{100}或{010}和垂直于[111]晶带轴的晶面（表示为[111]-晶面）。各晶面表面能增加的顺序为{101}晶面（0.44 J/m²) {100}或{010}（0.53 J/m²） {001}（0.90 J/m²) [111]-晶面（1.61 J/m²)。一般而言，在晶体生长过程中，具有表面能的晶面通常迅速减少，以便增加晶体的稳定型，鉴于此，大多数所合成的TiO₂晶体暴露的都是{101}晶面。因此，形貌控制合成暴露高活性晶面的锐钛矿型TiO₂仍然是一个挑战。

近年来，报道了制备优先暴露[111]-晶面锐钛型TiO₂的一些方法，如，以TiF₄为钛源，氨水为形貌控制剂，乙醇和乙腈为溶剂，制备了方形板状的锐钛矿型TiO₂微米晶。该微米晶制备时所用的TiF₄为液态，易水解速度非常快，在实验过程中难以控制且其价格昂贵，乙腈属于危险化学品，储存和运输很不方便，上述原因导致所得产品的价格较高，难以工业化大规模生产。以层状化合物K₂Ti₄O₉和Li₂TiO₃为钛源，将其通过质子交换、插层反应、剥离反应后，制备了暴露[111]-晶面的锐钛矿型TiO₂纳米晶，但该制备过程所需时间较长，且制备过程中所用的浓盐酸属于危险化学品且用量较大，所用剥离试剂四甲基氢氧化铵价格昂贵，也难以大规模生产。因此，绿色合成具有较大比例的[111]-晶面的锐钛型TiO₂纳米晶是非常重要的。

发明内容

本发明旨在提供一种[111]-晶面暴露的锐钛矿型TiO₂纳米晶的制备方法，以层状钛酸盐为起始原料，利用水热法制备暴露[111]-晶面锐钛型TiO₂纳米晶，该方法制备的[111]-晶面暴露的锐钛型TiO₂纳米晶的粒子尺寸和形貌可控，而且绿色环保；该制备方法可控性强、生产周期短、工艺简单、能耗低，极易于工业化实施。