[发明专利]一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法及应用

说明书

一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法及应用，属于半导体光催化材料的制备方法和用途。具体涉及一种在环己醇‑六氟钛酸‑钛酸四丁酯反应体系中制备{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的方法，以及其作为半导体材料在光催化分解水析氢反应方面的应用。该方法将六氟钛酸和钛酸四丁酯溶解于环己醇中；将所得溶液置于密闭的均相反应容器中进行反应；反应结束后快速冷却，再经分离、洗涤和干燥即得目标产物。本方法工艺简便，重复性好，且所得产品纯度高，分散性好，尺寸分布均匀、可控，具有纳米多孔结构和高{001}晶面暴露比，有望大规模生产。将二氧化钛纳米片用作光催化材料，其水解析氢性能优异，因此具有良好的经济效益和较广阔的市场前景。

技术领域

本发明涉及一种半导体光催化材料的制备方法和用途，特别是一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法及应用。

背景技术

作为一种重要的氧化物半导体材料，二氧化钛(TiO₂)已被广泛应用于环境、能源、化工、生命科学等诸多领域中。对于TiO₂光催化剂来说，许多物理和化学过程都发生在表面上，光催化性能很大程度上取决于其表面结构。已有研究表明，锐钛矿型TiO₂材料在有机污染物降解和水分解等方面的光催化性能极大程度上取决于晶体暴露面的类型和比例。通常来说，锐钛矿型TiO₂的{101}晶面具有最低的表面能(0.44Jm^-2)和较好的动力学稳定性，因此较容易暴露在晶体的外表面，形成以{101}面为主导的截断八面体双锥结构。相比之下，{001}晶面由于具有较高的表面能(0.90J m^-2)而不能大规模暴露在表面。然而，最新研究发现，TiO₂晶体的{001}晶面在光生电子和空穴的选择性分离中也起着关键作用。因此，如何制备结构稳定且光催化性能优异的高{001}晶面暴露比的TiO₂纳米片就成为目前光催化研究领域中的一个热点问题。

为了解决这一难题，氢氟酸常被用作封端剂来稳定锐钛矿型TiO₂的{001}晶面，并以此获得高暴露比例的{001}晶面。这种锐钛矿型TiO₂晶体在太阳能电池、光催化、光子和光电器件等领域具有重要的研究价值和应用潜力。尽管目前已开发出不同的水热和溶剂热(乙醇或异丙醇)体系来控制这种锐钛矿型TiO₂纳米片的生长，然而这些现有的制备技术仍存在危险性高、制备过程繁琐、时间长、所得产物的形貌或性能不佳等问题。因此急需开发出一种简单、高效、安全的方法来制备形态规则且性能优异的TiO₂纳米片。

发明内容

本发明的目的是要提供一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法及应用，解决一般制备方法中存在的危险性高、时间长、过程复杂、所得产物的形貌或性能不佳的问题。

本发明的目的是这样实现的：制备方法是将一定量的钛源溶于环己醇中，得到均匀的溶液；将上述溶液转移至密闭的均相反应容器中，使钛源在环己醇溶剂中进行溶剂热反应；反应结束后快速冷却，再经分离、洗涤和干燥，最终获得纯度高、分散性好、{001}晶面暴露比高的多孔锐钛矿型TiO₂纳米片。

本发明的具体步骤包括：

步骤(1)、将一定量的钛源加入到环己醇中，搅拌溶解后得到乳白色溶液(1)；

步骤(2)、将乳白色溶液(1)转移至密闭、耐压的均相反应容器中进行反应；

步骤(3)、反应完成后，将产物取出进行分离、洗涤和干燥，获得白色的多孔TiO₂纳米片。

步骤(1)中，所述钛源为六氟钛酸和钛酸四丁酯的混合物；溶液中钛的总摩尔浓度为0.01～0.5mol/L；六氟钛酸与钛酸四丁酯的摩尔比为2:1～1:10；

步骤(1)中，所述搅拌时间为1～30min，搅拌速度为200～800rpm。