[發明專利]一種{001}晶面暴露的多孔二氧化鈦納米片的制備方法及應用

有效

• 申請號: 202010083422.5
• 申請日: 2020-02-09
• 公開（公告）號: CN111268725B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 王鵬;金永生;滕淑華
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: C01G23/053
• 分類號: C01G23/053;B82Y40/00;B01J21/06;B01J35/10;C01B3/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張聯群

一種{001}晶面暴露的多孔二氧化鈦納米片的制備方法及應用，屬于半導體光催化材料的制備方法和用途。具體涉及一種在環己醇?六氟鈦酸?鈦酸四丁酯反應體系中制備{001}晶面暴露的多孔二氧化鈦納米片的方法，以及其作為半導體材料在光催化分解水析氫反應方面的應用。該方法將六氟鈦酸和鈦酸四丁酯溶解于環己醇中；將所得溶液置于密閉的均相反應容器中進行反應；反應結束后快速冷卻，再經分離、洗滌和干燥即得目標產物。本方法工藝簡便，重復性好，且所得產品純度高，分散性好，尺寸分布均勻、可控，具有納米多孔結構和高{001}晶面暴露比，有望大規模生產。將二氧化鈦納米片用作光催化材料，其水解析氫性能優異，因此具有良好的經濟效益和較廣闊的市場前景。

技術領域

本發明涉及一種半導體光催化材料的制備方法和用途，特別是一種{001}晶面暴露的多孔二氧化鈦納米片的制備方法及應用。

背景技術

作為一種重要的氧化物半導體材料，二氧化鈦(TiO₂)已被廣泛應用于環境、能源、化工、生命科學等諸多領域中。對于TiO₂光催化劑來說，許多物理和化學過程都發生在表面上，光催化性能很大程度上取決于其表面結構。已有研究表明，銳鈦礦型TiO₂材料在有機污染物降解和水分解等方面的光催化性能極大程度上取決于晶體暴露面的類型和比例。通常來說，銳鈦礦型TiO₂的{101}晶面具有最低的表面能(0.44Jm^-2)和較好的動力學穩定性，因此較容易暴露在晶體的外表面，形成以{101}面為主導的截斷八面體雙錐結構。相比之下，{001}晶面由于具有較高的表面能(0.90J m^-2)而不能大規模暴露在表面。然而，最新研究發現，TiO₂晶體的{001}晶面在光生電子和空穴的選擇性分離中也起著關鍵作用。因此，如何制備結構穩定且光催化性能優異的高{001}晶面暴露比的TiO₂納米片就成為目前光催化研究領域中的一個熱點問題。

為了解決這一難題，氫氟酸常被用作封端劑來穩定銳鈦礦型TiO₂的{001}晶面，并以此獲得高暴露比例的{001}晶面。這種銳鈦礦型TiO₂晶體在太陽能電池、光催化、光子和光電器件等領域具有重要的研究價值和應用潛力。盡管目前已開發出不同的水熱和溶劑熱(乙醇或異丙醇)體系來控制這種銳鈦礦型TiO₂納米片的生長，然而這些現有的制備技術仍存在危險性高、制備過程繁瑣、時間長、所得產物的形貌或性能不佳等問題。因此急需開發出一種簡單、高效、安全的方法來制備形態規則且性能優異的TiO₂納米片。

發明內容

本發明的目的是要提供一種{001}晶面暴露的多孔二氧化鈦納米片的制備方法及應用，解決一般制備方法中存在的危險性高、時間長、過程復雜、所得產物的形貌或性能不佳的問題。

本發明的目的是這樣實現的：制備方法是將一定量的鈦源溶于環己醇中，得到均勻的溶液；將上述溶液轉移至密閉的均相反應容器中，使鈦源在環己醇溶劑中進行溶劑熱反應；反應結束后快速冷卻，再經分離、洗滌和干燥，最終獲得純度高、分散性好、{001}晶面暴露比高的多孔銳鈦礦型TiO₂納米片。

本發明的具體步驟包括：

步驟(1)、將一定量的鈦源加入到環己醇中，攪拌溶解后得到乳白色溶液(1)；

步驟(2)、將乳白色溶液(1)轉移至密閉、耐壓的均相反應容器中進行反應；

步驟(3)、反應完成后，將產物取出進行分離、洗滌和干燥，獲得白色的多孔TiO₂納米片。

步驟(1)中，所述鈦源為六氟鈦酸和鈦酸四丁酯的混合物；溶液中鈦的總摩爾濃度為0.01～0.5mol/L；六氟鈦酸與鈦酸四丁酯的摩爾比為2:1～1:10；

步驟(1)中，所述攪拌時間為1～30min，攪拌速度為200～800rpm。