[发明专利]一种制备形态可控的活性面暴露TiO2纳米单晶的方法

说明书

技术领域

本发明属于功能型纳米材料制备技术领域，具体涉及一种制备形态可控的活性面暴露TiO₂纳米单晶的方法，特别是在合成纳米材料的前驱体溶液中加入酸化剥离蛭石作为调控剂，对TiO₂单晶材料的晶粒尺寸、形态，以及所暴露的活性面的比例起到调控作用。

背景技术

TiO₂，作为一种最具有应用前景的半导体材料，在许多领域都具有重要的应用价值。在其实际应用中，它的性能不仅与其组成有关，而且还与其晶粒尺寸、形态结构，以及所暴露晶面的物理化学性能有极大的关系。对于常见的锐钛矿TiO₂来说，理论研究表明其{001}和{100}面是活性晶面。从结晶化学的角度来看，晶体的生长需要满足最低表面能原则，而高活性晶面如锐钛矿TiO₂的{001}面往往在生长过程中快速消失，使得目前绝大多数合成的锐钛矿TiO₂单晶主要由热力学稳定的{101}面(表面能为0.44Jm^-2)构成，而不是更具有活性的{001}(0.90Jm^-2)和{100}(0.53Jm^-2)面。由于表面自由能越高的晶面，在晶体生长过程中越难形成，一般情况下，锐钛矿相TiO₂主要是以具有{101}晶面为主，所占的比例高达94％，因此，如何制备形态可控的、活性面暴露比例可调的TiO₂单晶材料成为难题。Yang等人在nature，2008，453(29)，638中报道，以TiF₄为钛源、HF为形态控制剂，通过水热法首次合成了具有比例为47％的{001}晶面的微米锐钛矿TiO₂单晶。在该项工作中，F-能有效稳定高活性的{001}晶面，将其能量控制到低于{101}晶面，从而导致晶体在[001]方向上的生长受到抑制，最终获得含有大比例{001}晶面的锐钛矿TiO₂单晶。在这之后，人们在发展新的合成方法、最大化{001}晶面以及获得具有新颖形貌的大比例{001}晶面的锐钛矿TiO₂单晶方面展开了大量的研究。尽管有这些研究成果，但仍然有必要进行TiO₂活性面的相关研究，包括目前研究相对较少的{100}活性面。

目前，成功获得具有较高{001}和{100}面暴露率的锐钛矿TiO₂的报道较少。为了获得大比例的{001}面，含F-的化合物经常被用作TiO₂{001}的稳定剂，这不可避免危害环境，并且过去的研究大都集中在制备微米尺寸的锐钛矿TiO₂单晶，这种单晶自身小的比表面积在一定程度上限制了它的更广泛应用。此外，在这些研究中所使用的原料价格昂贵，尤其是为了得到较大比例活性面所使用的形态控制剂。因此，采用简单的绿色方法可控合成高{001}和{100}面暴露率的锐钛矿TiO₂具有重要意义。

专利201210143705.X.提供了以酸化剥离蛭石为锐钛矿TiO₂{001}面的稳定剂、制备{001}和{100}面暴露的长方体锐钛矿TiO₂纳米单晶的绿色方法，通过该方法获得的长方体晶粒暴露了较大比例的活性面(两个{001}顶面，四个{100}侧面)，并且晶粒尺寸较小(平均长为85nm，宽为37nm)，证实了酸化剥离蛭石对锐钛矿TiO₂{001}面的具有较好的稳定作用，并且对其晶粒的均一程度也有很好的控制作用。在此基础上，本发明选用酸化剥离蛭石片层作为活性面暴露的TiO₂纳米单晶形态的调控剂，通过调节反应体系中酸化剥离蛭石的含量，进而控制活性面暴露的TiO₂纳米单晶的形态结构。该方法简单，并绿色环保，原材料选择广泛，制备成本低廉，得到的TiO₂纳米单晶晶粒尺寸和活性面暴露的比例均可控，使得TiO₂纳米材料在太阳能电池、光电器件、传感器、光催化以及表面技术等领域具有更加广泛的应用。

到目前为止，未见使用酸化剥离蛭石作为调控剂去控制活性面暴露的TiO₂纳米单晶形态的相关报道。

发明内容