[發明專利]一種高指數晶面二氧化鈦納米催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201910908000.4
• 申請日: 2019-09-24
• 公開（公告）號: CN110743522B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 張國亮;葉曉巍;徐澤海
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;C02F1/32;C01G23/053;C02F101/30;C02F101/38
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;王兵

本發明公開了一種高指數晶面二氧化鈦納米催化劑及其制備方法，所述的高指數晶面二氧化鈦納米催化劑按照如下步驟進行：將刻蝕劑溶于去離子水中得到刻蝕劑水溶液，然后將鈦鹽溶于刻蝕劑水溶液中，在室溫條件下超聲攪拌至分散均勻得到混合液A，然后將所述的混合液A轉移到反應釜中，在100～300℃下水熱反應5～20h，得到反應混合液B，經后處理得到高指數晶面二氧化鈦。本發明所述的高指數晶面二氧化鈦，因其含有高密度的臺階原子和扭結原子，其配位數低，更易與反應分子發生相互作用，成為催化活性中心，更有效的利用催化反應的表面結構效應。高指數晶面二氧化鈦在光催化降解染料時的脫色效率均在90％以上，相比于低指數晶面二氧化鈦其催化活性提高了2～3倍。

(一)技術領域

本發明屬于無機催化技術領域，具體涉及一種高指數晶面二氧化鈦納米催化劑及其制備方法。

(二)背景技術

在半導體中，二氧化鈦由于其生物化學惰性、強氧化能力和低成本等優點，在世界范圍內得到了廣泛的研究。由于二氧化鈦納米催化劑活性很大程度上取決于其物理性質，有望通過調整納米粒子的形狀，控制其特殊的尺寸相關特性，如表面積、帶隙調諧和光散射系數，并利用催化反應的表面結構效應，進一步提高其催化活性和利用效率，使得二氧化鈦納米催化劑成為能源、輕工業、環保等領域最有前途的催化劑。

經研究發現，納米催化劑的性能可通過其組成和形貌進行有效調控。除此之外，金屬氧化物和載體之間的界面相互作用對于負載型催化劑的催化活性至關重要。對于CO催化反應而言，已有大量實驗研究和理論計算證實金屬活性中心和載體之間的界面作用能直接影響著催化劑的性能。早在1978年，Tauster等人發現在還原氣氛中處理催化劑，載體和金屬納米粒子之間會產生一種特殊的相互作用。這些界面間的相互作用可能產生各種各樣的效果，例如金屬表面被部分掩蓋，金屬表面的過度生長和氧化還原，形成特定的接觸區，以及增強催化性能或金屬的分散性。鑒于界面作用對催化活性影響巨大，一些研究者將金屬納米顆粒封裝于載體內部，改變其幾何結構和電子效應，通過封裝金屬顆粒可擇優阻礙低配位的金屬位點，同時增加高活性的界面位點用于不同催化反應中。此外，還有一些研究者采用不同尺寸的納米顆粒負載于載體之上，以此調控金屬與載體之間的接觸面，從而加強納米顆粒與載體之間的相互作用，使其催化活性提升。雖然以上研究取得了一些進展，但是多數催化劑活性在反應過程中會遭受到快速地衰減，這可能是傳統的制備方法很難構筑一個具有強相互作用的界面結構，而弱的界面相互作用會導致催化氧化過程中催化劑效率下降，甚至失活。基于此，一些研究者發現具有高能界面結構的催化劑能更好促進反應物吸附到催化劑表面，并促進電荷快速傳遞，具有更好的催化性能。然而目前制備出的常見穩定晶面載體活性較低，相比而言，高指數晶面的載體能擁有更多優良的物理化學性質，高指數晶面具有高密度的低配位原子，表面原子具有懸空鍵，很容易與反應物發生相互作用，破壞反應物分子間的化學鍵，形成催化活性中心，從而高指數晶面可以比低指數晶面提供更多的催化活性位點。然而目前絕大多數制備的二氧化鈦載體通常都是低指數晶面如(001)、(010)和(101)晶面。這是由于高指數晶面通常具有高的表面能，在納米顆粒生長過程中，為了降低總的表面能，高指數晶面通常快速生長且快速消失，因此制備高指數晶面的納米材料受到限制，而該高指數晶面的制備研究將為合成具有高能界面結構的催化劑帶來了契機。

(三)發明內容

本發明的目的是提供了一種高指數晶面二氧化鈦納米催化劑的制備方法。該方法解決了二氧化鈦的實際應用中，由于受到可見光吸收能力低和電子空穴重組速度快的限制，大大降低了光電轉換效率的問題。采用該方法制備的二氧化鈦更易與反應分子發生相互作用，成為催化活性中心，更有效的利用催化反應的表面結構效應，在能源、輕工業、環保等領域有很好的應用前景。

本發明的技術方案：

一種高指數晶面二氧化鈦納米催化劑具體按照如下步驟進行：