[发明专利]暴露高指数{114}面的锐钛矿氧化钛多面体纳/微米光催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了暴露高指数{114}面的氧化钛多面体纳/微米光催化剂的制备方法。本发明的制备方法主要包括氧化钛多面体母晶的合成和对氧化钛多面体母晶的刻蚀，最终制备了暴露高指数{114}面的规则多面体TiO₂。本发明将“自上而下”和“自下而上”两种策略相结合，用于调控氧化钛的形貌。基于这两种策略中热力学有利的方向控制晶体生长，得到了暴露{114}面的锐钛矿氧化钛晶体，得到的晶体形貌均一。{114}面的暴露比例可调，由于其独特的表面结构，{114}面显示了优异的光催化性能和光电化学性能。

技术领域

本发明涉及锐钛矿氧化钛催化剂的制备，特别涉及暴露高指数{114}面的氧化钛多面体纳/微米光催化剂的制备方法。

背景技术

在无机材料中，锐钛矿氧化钛是一种重要的半导体材料，TiO₂由于其化学和生物惰性，成本效益以及光生空穴的强大氧化能力，在催化，光伏电池，自清洁设备，传感器，锂离子电池材料，光发射，水分解，涂料等方面的广泛应用而备受关注。如何进一步提高二氧化钛材料的性能和利用效率是该领域的关键问题。催化剂的活性可通过调节其尺寸，形貌，晶面比例，暴露新晶面，即通过控制表面的原子排列结构来实现(参见文献：Angew.Chem.2011,123,2181–2185；Adv.Funct.Mater.2011,21,3554–3563)

单晶模型催化剂的基础研究指出，高指数面上含有高密度的台阶原子，扭结原子和表面悬挂键等结构而具有优于低指数面的性能(参见文献：Nature，1975,258,580-583)。因此，制备主要暴露高指数面的纳米晶体是制备高活性和稳定性的纳米催化剂的重要途径。例如华东理工大学等课题组利用水热法合成了主要暴露{105}高能面的TiO₂八面体(参见文献：Angew.Chem.2010，123,3848-3852)。然而暴露高指数面的纳米晶体往往很难制备出来，这是由于高指数面往往具有高的表面能，导致其在晶体生长过程中具有快的生长速率而趋于消失。

高指数面的生长与其制备条件密切相关，因为高指数面的制备在热力学上是不利的，所以高指数面的合成通常条件苛刻且难以放大。目前为止，国内外关于氧化钛的晶面调控及其应用的研究已有较多报导，例如暴露{001}晶面的截断八面体，主要暴露{101}晶面的八面体，暴露{100}面的立方体，主要暴露{010}面的纳米棒等氧化钛多面体先后报道。

制备暴露高指数面的晶体最常用的策略是通过使用封端剂，选择性吸附在晶体表面改变晶面的表面能，实现其生长速率的调变，从而得到暴露高指数面的晶体，然而截止目前，较为成熟作为封端剂调控出来高能面的封端离子大多数为F^-，且调控出来的都是{001}晶面。且有些配体离子难以完全除去，对其晶面活性产生干扰。

通过生长条件的控制实现对晶体生长动力学的调变，也可以实现选择性的高能面，然而晶体的生长过程对条件敏感，任何晶体生长条件的改变均可能导致产物形貌的改变，这导致实验室的合成往往很难放大生产。

发明内容

针对上述问题，本发明提供暴露高指数面的锐钛矿氧化钛多面体纳/微米光催化剂的制备方法。

本发明的技术方案为：暴露高指数面的锐钛矿氧化钛多面体纳/微米光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)氧化钛多面体母晶的合成：按钛盐与酸的摩尔比为0.02～400，将钛盐与酸溶解于蒸馏水中，在超声仪中处理10～20min后，将溶液转移到反应器中，50～500℃反应2～48h，冷却至室温，倒出上清液，用无水乙醇洗涤3～5次，然后在烘箱中干燥8～24h，所得固体即为暴露{101}与{001}晶面的氧化钛多面体颗粒，然后将干燥好的样品在300～1200℃煅烧1～48h，得到氧化钛多面体母晶；