[发明专利]一种基于种子生长法构筑的多维TiO2

说明书

本发明属于催化剂光催化有机反应技术领域，具体涉及一种基于种子生长法构筑的多维TiO₂“晶面异质结”空盒催化剂及其在光催化有机脱羧反应中的应用。本发明采用种子生长法，首先以钛源为原料制备3D‑TiO₂立方空盒，然后加入预先制备好的TiO₂纳米颗粒种子溶液，通过加入结构导向剂十六烷基三甲基溴化铵水溶液、抗坏血酸等，在3D‑TiO₂立方空盒（001）表面上生长出不同形貌的（101）面TiO₂纳米颗粒（0D‑TiO₂纳米球、1D‑TiO₂纳米棒、2D‑TiO₂纳米片、2D‑TiO₂纳米五角星、3D‑TiO₂纳米触须），得到多维TiO₂“晶面异质结”立方空盒催化剂，这种“晶面异质结”的形成，抑制了光生电子‑空穴的复合，扩大了表面积，提高了催化剂的光催化性能，在光催化有机脱羧反应中具有良好的选择性。

技术领域

本发明属于催化剂光催化有机反应技术领域，具体涉及一种基于种子生长法构筑的多维TiO₂“晶面异质结”空盒催化剂及其在光催化有机脱羧反应中的应用。

背景技术

TiO₂纳米材料被认为是一种应用于能源和环境的重要光活性材料，除了广泛用作有机污染物降解和水分解的光催化剂外，它们还可以在催化有机反应中发挥重要作用。近年来，人们认识到二氧化钛纳米材料的尺寸、形状、结晶度和层次结构等因素对其光催化有机反应有重要影响。

两种不同晶体结构的半导体材料接触而形成的界面区域，称为异质结。异质结材料因其具有特殊的能带结构和优异的载流子输送能力，能够在反应中抑制光生电子-空穴复合，提高量子效率。已有研究报道了不同半导体之间形成的异质结材料，例如：中国发明专利申请CN 107570179 A中，公开了一种TiO₂/BiOCl 异质结可见光催化剂的制备方法，该发明中制备的光催化剂为不同半导体间形成的异质结材料，具有高的可见光催化活性。而不同种半导体或同一种半导体物质的不同晶面之间形成的界面区域，我们首次将其称为晶面异质结。同一种半导体不同晶面复合形成的晶面异质结材料至今几乎没有相关文献报道。

不同形貌结构、不同维度的TiO₂纳米材料具有不同的光催化活性，因此，结构与维度对材料的性能具有重要的作用。0D-TiO₂纳米球或微球由于表面积大，具有很好的光催化性能；1D-TiO₂纳米棒沿着一维方向具有很好的电荷传输性能，光生电荷可以很好地被分离；2D-TiO₂纳米片/纳米五角星具有很好的平面性， 3D-TiO₂纳米触须与3D-TiO₂立方空盒均可以使光生电荷沿着不同的维度分别传输，增加了其光催化性能。不同形貌结构、不同维度的TiO₂材料如果复合在一起，形成多维的TiO₂纳米材料，使其具有较大的界面接触面积，其电荷传输性能能够互补，可以有效地分离界面电荷，从而大大增强其光催化性能。

半导体材料的光催化性能还受不同晶面的影响。TiO₂晶面有几种，(001)晶面(平均表面能为0.9J/m²)、(101)晶面(平均表面能为0.44J/m²)和(100)晶面(平均表面能为0.53J/m²)等，暴露的(001)晶面具有最高的平均表面能，在热力学上不稳定，因此具有很高的光催化活性。通过加入(101)晶面的多维 TiO₂纳米颗粒，使两种不同的晶面相互接触，形成“晶面异质结”结构，提高其结晶度，扩大接触表面积，有利于光生电子的运输，很好地提升了其光催化性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于种子生长法构筑多维TiO₂“晶面异质结”立方空盒催化剂及其在光催化有机脱羧反应中的应用。