[發(fā)明專利]一種尺寸可控的球形銳鈦礦型TiO2介晶及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410276619.5
• 申請日: 2014-06-19
• 公開（公告）號: CN104058453A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 付欣欣;王智宇
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: C01G23/053
• 分類號: C01G23/053
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬氧化物功能材料的制備領(lǐng)域，特別涉及一種尺寸可控的球形銳鈦礦型TiO₂介晶及其制備方法。

背景技術(shù)

環(huán)境和能源是制約人類可持續(xù)發(fā)展的兩大難題。如何有效地降解污染物、尋找清潔能源是解決上述問題的關(guān)鍵。二氧化鈦（TiO₂）作為一種重要的寬禁帶功能半導(dǎo)體氧化物材料，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、適當(dāng)?shù)哪軒В娮樱┙Y(jié)構(gòu)、無毒、價(jià)格便宜，在光催化劑、染料敏化太陽能電池及鋰離子電池方面具有廣闊的應(yīng)用前景。一般來說，材料的性能取決于材料的結(jié)構(gòu)，通過對材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以改善材料的性能。近幾年來，分級結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)及優(yōu)異的性能備受人們關(guān)注。比如，分級介孔TiO₂顯示出比P25更強(qiáng)的光催化能力；分級介孔Li₄Ti₅O₁₂微球在高倍率下也能表現(xiàn)出較高的嵌鋰容量。通常，分級結(jié)構(gòu)是由低維度（0D、1D、2D）的納米單元組裝而成的多晶。但是，在很多情況下，分級結(jié)構(gòu)的多晶晶界會成為電子、空穴復(fù)合的勢肼、阻礙電子的傳輸?shù)取Ｒ虼耍绾慰刂萍{米單元的組裝形成單晶性質(zhì)的分級結(jié)構(gòu)（介晶）就尤為重要。介晶是結(jié)晶取向相同的納米晶自組裝而形成的超結(jié)構(gòu)，正是這種高度的取向性，導(dǎo)致介晶具有類單晶的結(jié)構(gòu)。普遍認(rèn)為介晶是由多晶轉(zhuǎn)變成單晶過程中的介穩(wěn)中間相。介晶的晶化方式也和傳統(tǒng)的結(jié)晶方式截然不同。傳統(tǒng)的結(jié)晶過成的是由分子或者原子控制的，而介晶的結(jié)構(gòu)單元的納米晶，主要包含一個(gè)由自組裝基的非典型晶化過程。

到目前為止，關(guān)于TiO₂介晶的研究工作也比較多，主要集中在介晶的制備及生長機(jī)理等方面的探究，很少是關(guān)于介晶形貌、尺寸的控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種尺寸可控的球形銳鈦礦型TiO₂介晶及其制備方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種尺寸可控的球形銳鈦礦TiO₂介晶，以苯甲酸作為表面活性劑，通過控制反應(yīng)體系中苯甲酸的含量而得到的，苯甲酸含量越高，球形顆粒的尺寸越大且尺寸分布越窄。

所述的反應(yīng)體系為苯甲酸-鈦酸四丁酯-乙酸。

所述的苯甲酸含量為1.5-9g，鈦酸四丁酯體積為0.75mL，乙酸體積為30mL，球形銳鈦礦TiO₂介晶的顆粒大小為230-270nm。

所述的球形介晶的生長過程中，主要包括花狀中間物的形成、中間物的水解-聚合、TiO₂納米晶的形成及自組裝。

一種所述的尺寸可控的球形銳鈦礦TiO₂介晶的制備方法，具體步驟為：

1）將苯甲酸加入到乙酸溶液中，室溫?cái)嚢?0min直至苯甲酸完全溶解，得到澄清透明的溶液；

2）將鈦酸四丁酯逐滴加入到步驟1）得到的溶液，室溫?cái)嚢?0min，得到白色乳濁液；

3）將步驟2）獲得的乳濁液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜密封放置在烘箱中，加熱至200℃，保溫24h，待反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，經(jīng)離心分離、洗滌、干燥，得到白色粉末；

4）將步驟3）獲的粉末樣品，400℃熱處理去除殘留的有機(jī)物，最終得到球形銳鈦礦TiO₂介晶。

步驟1）中苯甲酸含量為1.5-9g，乙酸體積為30mL。

步驟2）中鈦酸四丁酯體積為0.75mL。

步驟3）中反應(yīng)釜體積為75mL，干燥溫度為70℃,干燥時(shí)間為12h。

步驟4）中熱處理在馬弗爐中進(jìn)行，升溫速率為10℃/min，保溫時(shí)間為30min。

本發(fā)明首次采用了溶劑熱方法，利用苯甲酸作為表面活性劑，通過控制苯甲酸的添加量，制備了一系列尺寸的球形二氧化鈦介晶。制備的樣品具有較高的結(jié)晶度和較大的比表面積。另外，通過對制備的樣品形貌進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)為球形，且單個(gè)顆粒的選取電子衍射為衍射斑點(diǎn)，證明合成的球形顆粒具有類似單晶的結(jié)構(gòu)，結(jié)合高分辨照片可以看到15nm的納米晶結(jié)構(gòu)單元，證明在苯甲酸-鈦酸四丁酯-乙酸體系中成功合成了球形銳鈦礦TiO₂介晶。通過改變反應(yīng)體系的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物的形貌的變化規(guī)律，提出了球形介晶的生長機(jī)理。最后改變反應(yīng)物苯甲酸的添加量，制備了不同尺寸的球形介晶且苯甲酸含量越高，球形尺寸越大，尺寸分布越窄。合成的球形銳鈦礦TiO₂介晶在鋰離子電池方面具有優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景。