[发明专利]一种分级混晶TiO2微纳米材料、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种分级混晶TiO₂微纳米材料、制备方法及其用途，特别涉及一种由一维纳米线组装的，晶型为锐钛矿和金红石混合晶型的分级混晶TiO₂微纳米材料、制备方法，以及其在光催化领域的用途。

背景技术

TiO₂半导体材料由于具有良好的稳定性、光催化效率高及环境友好等优点，自上世纪初就被广泛应用于颜料、涂料、化妆品、环境保护、新型能源等领域，尤其是其优异的光催化性能，使得人们对TiO₂的研究越来越重视。

以往研究发现，TiO₂的光催化活性主要与其晶型、形貌、大小、比表面积及外露晶面等因素有关。TiO₂常见的晶型有三种：板钛矿、锐钛矿和金红石，其中，锐钛矿光催化活性最好，金红石几乎不具备光催化活性，板钛矿由于性质不稳定，一般研究较少。近年相关研究发现，在纯锐钛矿中加入适量的金红石相（锐钛矿/金红石型混晶）可显著提高二氧化钛的光催化活性。这种现象可解释为：形成的异质结结构使得体系中能够俘获电子和空穴的陷阱增多，可有效分离光生电子-空穴对，从而提高光催化活性，上述现象也称为混晶效应。形貌方面，三维分级结构的TiO₂微纳米材料具有微米、纳米结构性质优势的同时，也抑制了二者结构上的缺陷，表现出了优异的光催化性质。分级TiO₂微纳米材料具有纳米级的基元结构，缩短光生电子和空穴的迁移时间，有效提高分离率，从而提高了材料的光催化活性；纳米级基元结构带来的另外一个性质优势是高的比表面积。高比表面积增大了光催化反应的接触面积，从而提高了材料的光催化活性；微米级结构使得TiO₂在使用过程中能够保持结构稳定性，这是催化剂走向使用化所必须具有的性能。

已有研究通常只考虑单方面因素对TiO₂光催化性能的影响，将两种性质优势相结合的研究还很少。本发明使用溶胶-凝胶法与水热法联用的方法，制备出形貌新颖、性能优异的分级混晶TiO₂微纳米材料。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种形貌新颖、性能优异的分级混晶TiO₂微纳米材料，所述分级混晶TiO₂微纳米材料为分级花状结构，混晶晶相，具有优异的光催化活性和结构稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种分级混晶TiO₂微纳米材料，所述微纳米材料为纳米线组装形成的花状结构，所述花状结构的直径为2~4μm，纳米线直径为10~30nm，纳米线长度为0.9~2μm，晶型组成为锐钛矿-金红石型混晶。花状结构的上下表面都可以充分利用，提高了分级混晶TiO₂微纳米材料作为催化剂的催化活性和结构稳定性。锐钛矿-金红石型的混晶效应同样提高了分级混晶TiO₂微纳米材料作为催化剂的催化活性。本发明将花状分级微纳米结构与锐钛矿-金红石型混晶结合起来，得到了催化活性和结构稳定性均十分优异的分级混晶TiO₂微纳米材料。

所述花状结构的直径为2.2~3.6μm，例如2.4μm、2.1μm、2.5μm、2.7μm、2.9μm、3.1μm、3.4μm、3.3μm、3.6μm、3.9μm，优选2.4~3.4μm。

所述纳米线直径为12~28nm，例如11nm、13nm、16nm、18nm、20nm、22nm、24nm、26nm、28nm、29nm，优选14~27nm。

所述纳米线长度为1.1~1.9μm，例如1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm，优选1.15~1.85μm。

锐钛矿-金红石型混晶中，金红石相的质量百分比为50~60%，例如50.5%、51%、51.5%、52%、52.5%、53%、53.5%、54%、54.5%、55%、55.5%、56%、56.5%、57%、57.5%、58%、58.5%、59%、59.5%，优选52~58%，进一步优选53~57%。