[发明专利]一种暴露高能晶面{001}的足球状锐钛矿TiO2粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于TiO₂粉体技术领域，特别涉及一种形貌可控的暴露{001}高能晶面的足球状锐钛矿二氧化钛粉体及其制备方法。

背景技术

二氧化钛是一种无毒，不溶于水、无机弱酸和有机酸，微溶于碱的白色粉末，安全廉价的新型无机材料。同时，二氧化钛还具有良好的化学稳定性、热稳定性、光催化性、介电特性，以及耐电化学腐蚀等等优点，被广泛应用于光催化、发光材料、太阳能电池、介电材料以及抗菌材料等许多前沿领域。二氧化钛作为载体制备各类催化剂，被广泛地应用于脱除工厂汽车排放有害气体氮氧化物、光催化分解有机物，治理环境污染。同时，TiO₂锂离子电池的发展和染料敏化的太阳能电池的出现不仅缓解了巨大的能源危机，而且避免了常规能源使用过程中造成的空气污染。

研究表明，其较宽的禁带宽度和较低的量子效率仍然是限制其发展的主要原因。因此，TiO₂材料的形貌控制合成及表面修饰构造是对提高其应用性能有着至关重要的作用。所以，如何利用各种合成方法制备具有特定形貌结构的TiO₂已经成为当前的研究热点。虽然，利用气相法制备一维纳米管、纳米带材料已有所报道，但是液相法在控制产物形貌、结构和组成方面仍然显示出独特的优势，因此被广泛地用来合成具有特定形貌结构的催化剂。溶剂热法，比水热法具体有更高温高压的反应环境，利用不同溶剂的结构导向作用，有利于合成特殊形貌结构的TiO₂材料。目前，研究较多的形貌及织构包括：单分散量子点、纳米线、纳米管、微米球、有序介孔结构、核壳结构等等。

作为一个重要主要的性质，不同的TiO₂(锐钛矿)表面能量大小顺序为{001}(0.90Jm^-2)>{010}(0.53Jm^-2)>{101}(0.44Jm^-2)。在Wulff解释中，晶体的生长趋向于总表面能最小化。因此，TiO₂高能晶面{001}更加活跃不稳定。这些年，由于{001}面的活跃性，对其合成和性能的研究吸引了大量的关注。潘健等人得出：在光催化反应活性上{001}<{101}<{010}面(Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50,2133–2137)，而托马斯·R·戈登等人认为光催化反应上{101}面可能比{001}面更活跃(J.Am.Chem.Soc.,2012,134,6751–6761)。此外，大多数暴露{001}面的光电阳极比P25参考电极提高了能量转换效率(ACS Nano,2012,6,10862-10873)。关于TiO₂高能晶面的制备与性能的研究已深入应用于光催化和太阳能电池等领域。

目前，纳米TiO₂的制备工艺的发展虽然已经取得了显著成效，但在生产和技术改进方面仍存在很多问题，如何得到特定形貌的TiO₂；怎样降低生产成本；如何通过表面处理技术，提高材料性能及拓展应用领域等等问题，是本发明讨论及研究的关键。

本发明为溶剂热法来制备一种暴露{001}晶面的足球状形貌TiO₂。溶剂热合成法是高压釜(聚四氟乙烯内衬、不锈钢反应釜)里进行，采用异丙醇作为反应介质，通过高温高压将反应体系加热至临界温度，使前驱物在溶剂介质中溶解，进而成核、生长、最终形成具有一定粒和结晶形态的晶粒，卸压后产物经离心洗涤、干燥最终得到纳米级二氧化钛粉体。使用这种方法不需作高温灼烧处理就可以直接的制备出结晶良好、纯度高和无硬团聚的粉体，成本相对较低，并且可通过改变工艺条件，实现对粉体形貌、晶型等特性的控制。本实验克服了现有技术中的不足之处而制备出的一种暴露{001}高能晶面的足球状锐钛矿TiO₂粉体，可以改善TiO₂表面能、催化活性等等，其成品可以广泛应用于催化剂载体、光催化、光电解水制氢以及敏化太阳能电池等相关领域。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的局限，提供了一种纯度高、结晶性好，形貌可控的暴露高能晶面{001}的足球状锐钛矿TiO₂粉体及其制备方法。