[发明专利]一种{101}、{100}和{111}-晶面共暴露的锐钛矿型TiO2

说明书

本发明公开了一种{101}、{100}和{111}‑晶面共暴露的锐钛矿型TiO₂纳米晶的制备方法及应用。本发明以钛酸四异丙酯为钛源，无水乙醇为溶剂，以氢氟酸或氢氟酸和双氧水做形貌控制剂，利用溶胶‑凝胶法合成{101}、{100}和{111}‑晶面共暴露的方块状锐钛矿型TiO₂纳米晶。本发明所制备的方块状锐钛矿型TiO₂可以应用在光催化降解罗丹明B、亚甲基蓝、对硝基苯酚等有机污染物中，也可以应用在太阳能电池和化妆品中。本发明所采用的制备方法流程简单，生产周期短，可控性强，合成成本低，符合“绿色化学”的要求，适用于工业化生产。

技术领域

本发明属于纳米晶材料技术领域，具体而言，涉及一种{101}、{100}和{111}-晶面暴露的锐钛矿型TiO₂纳米晶的制备方法及应用。

背景技术

1972年日本科学家Fujishima和Honda在研究中发现，TiO₂电极可以光解水制备H₂，这一报道引起了世界各国科学家的关注。鉴于TiO₂具有生物和化学惰性、强的光氧化能力、对光和化学腐蚀的长期稳定性、无毒、无污染以及价格低廉等优点，使得其在光催化、空气净化、锂离子电池、太阳能电池、水净化等方面具有潜在的应用前景，有望解决世界能源和环境危机问题。TiO₂在自然界中主要存在三种晶型：锐钛矿、金红石和板钛矿。在上述三种晶型中，锐钛矿型TiO₂由于在光催化降解有机污染物和太阳能电池方面显示了最高的光催化性能而被广泛研究。由于光催化反应发生在催化剂的表面，因此控制催化剂的表面结构对于提高催化剂的催化活性是至关重要的。

自从Wen报道利用层状钛酸制备出{010}晶面暴露的多种形貌锐钛矿型TiO₂纳米晶以来，设计合成具有特定形貌和高活性晶面暴露的TiO₂受到了研究者的广泛关注。目前研究的锐钛矿TiO₂的高活性晶面主要有{001}、{100}或{010}和{111}晶面。各晶面表面能增加的顺序为{101}晶面(0.44J/m²){100}或{010}(0.53J/m²){001}(0.90J/m²) {111}-晶面(1.61J/m²)。然而，由于在晶体生长过程中具有表面能的晶面通常迅速减少，致使所合成的大多数TiO₂晶体暴露的晶面都大都是{101}晶面，严重限制了其在光催化和太阳能电池中的实际应用。因此，设计合成特定形貌和暴露高活性晶面的锐钛矿型TiO₂仍然是一个挑战。

近年来，已有文献报道了制备优先暴露{010}或{111}-晶面锐钛型TiO₂的一些方法，如，以层状钛酸盐为前驱体，通过质子交换、插层反应、剥离反应后，制备了暴露{010}或{111}-晶面的不同形貌的锐钛矿型TiO₂纳米晶，但该制备过程所需时间较长，且制备过程中所用的浓盐酸属于危险化学品且用量较大，所用剥离试剂四甲基氢氧化铵价格昂贵，也难以大规模生产；以TiF₄为钛源，氨水为形貌控制剂，制备了暴露{111}晶面的方形板状锐钛矿型TiO₂微米晶，但该微米晶制备时所用的TiF₄水解速度非常快，在实验过程中难以控制且其价格昂贵。上述原因导致所得产品的价格较高，难以工业化大规模生产。因此，绿色合成具有较大比例的{101}、{100}和{111}-晶面共暴露的锐钛矿型 TiO₂纳米晶是非常重要的。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种{101}、{100}和{111}晶面共暴露的锐钛矿型TiO₂纳米晶的制备方法及应用。