[发明专利]一种{001}面暴露二氧化钛纳米晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米晶的制备方法。

背景技术

近年来，光催化技术作为治理环境问题最有效的方法之一而引起世界各国的广泛关注。二氧化钛光催化剂因其具有价廉、无毒、催化活性高、氧化能力强、化学稳定性好、抗磨损性和可以循环利用等优点，而成为环境处理中最为理想的催化剂。TiO₂的光催化性能主要取决于晶相、暴露晶面、晶粒尺寸和比表面积。常见的TiO₂有三种晶型，分别是锐钛矿、金红石和板钛矿。其中锐钛矿由于光生载荷子的氧化还原能力较强，并且表面易于吸附氧而增强光生载荷子的寿命，所以具有更高的光催化活性。理论和实验都表明，锐钛矿{001}面是高能晶面，其活性优于热力学更稳定的{101}面(表面能：{001}面为0.90J m^-2，而{101}面为0.44J m^-2)。因此，制备高能{001}面就成为二氧化钛晶面工程中的研究热点。

2008年，Yang Huagui课题组克服了相关的技术困难，通过水热法合成出了{001}面暴露率为47％的锐钛矿相二氧化钛单晶(H.G.Yang，C.H.Sun，S.Z.Qiao，J.Zou，G.Liu，S.C.Smith，H.M.Cheng and G.Q.Lu，Nature，2008，453，638.)，随后又将比例提高至64％，但是所得二氧化钛单晶的平均尺寸达1.09μm，比表面积仅有1.6m²g^-1(H.G.Yang，G.Liu，S.Z.Qiao，C.H.Sun，Y.G.Jin，S.C.Smith，J.Zou，H.M.Cheng and G.Q.Lu，J.Am.Chem.Soc.，2009，131，4078)。对于异质反应，较小的晶粒尺寸意味着较大的比表面积和更多的活性位点，这有利于反应物跟二氧化钛纳米晶体的充分接触，并最终增强材料的光催化活性。而目前{001}面暴露锐钛矿相二氧化钛的制备方法中，大多直接以钛盐、钛醇盐或钛粉为前躯体，所得产物的晶粒尺寸普遍为数百纳米左右甚至微米级。原因在于，钛盐、钛醇盐和钛粉在含水的溶剂热体系反应活性较高(B.H.Wu，C.Y.Guo，N.F.Zheng，Z.X.Xie and G.D.Stucky，J.Am.Chem.Soc.，2008，130，17563.)，如果直接用于制备{001}面暴露锐钛矿相二氧化钛，则产物的晶体生长过程较难控制，所得二氧化钛颗粒尺寸往往比较大，比表面积也较小，不利于材料催化活性的提高(S.W.Liu，J.G.Yu and M.Jaroniec，J.Am.Chem.Soc.，2010，132，11914.)。因此，寻找新型前躯体来制备纳米级{001}面暴露锐钛矿相二氧化钛，已成为该领域研究的重要突破点。

发明内容

本发明是为了解决现有方法制备的{001}面暴露二氧化钛纳米晶颗粒尺寸大、比表面积小的技术问题，提供了一种{001}面暴露二氧化钛纳米晶的制备方法。

一种{001}面暴露二氧化钛纳米晶的制备方法，具体步骤如下：

一、将钛盐加入到乙醇或异丙醇中，配制成50mL～100mL浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的醇溶液；

二、在搅拌条件下将步骤一制备的醇溶液滴入到60mL～120mL去离子水中，然后在水浴温度为60℃～90℃的条件下，以300～1000转/分钟的搅拌速度搅拌30分钟～100分钟，加入0.5mol/L～5.0mol/L的碱溶液50mL～300mL，密封，然后在60℃～90℃继续搅拌4小时～12小时，离心分离出白色沉淀，并用去离子水洗涤白色沉淀3～5次，至上清液pH值为中性，得到质子化水合钛酸；

三、将质子化水合钛酸用醇洗涤3～5次，然后转移到聚四氟乙烯水热釜中，加入2mL～6mL醇和0.5mL～5mL质量浓度为20％～40％的氢氟酸水溶液，在150℃～220℃保温12小时～48小时；

四、将步骤三得到的反应液在转速为3000转/分钟～8000转/分钟的条件下离心分离出沉淀，然后在60℃～100℃下干燥24h～48h，经水洗、醇洗、干燥、研磨，即得{001}面暴露二氧化钛纳米晶。

步骤一中所述的钛盐为四氯化钛、硫酸钛、硫酸氧钛、钛酸丁酯或钛酸异丙酯。

步骤二中所述的碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或碳酸钠溶液。

步骤三中所述的醇为乙醇或异丙醇。

步骤四中醇洗所用的醇为乙醇或异丙醇。