在二氧化钛微晶表面选择性沉积同质纳米颗粒提升光催化活性的方法技术

本发明专利技术公开一种在二氧化钛微晶表面选择性沉积同质纳米颗粒提升光催化活性的方法。该方法是将具有(001)面暴露的二氧化钛微晶分散到四氟化钛水溶液中，保温一定时间即可在微晶的(101)晶面选择性生长二氧化钛纳米颗粒。本发明专利技术巧妙利用反应体系中氟离子在高能面的选择性吸附以及二氧化钛纳米颗粒非均匀形核长大两个动力学过程，成功保留了二氧化钛微晶中具有高光催化活性的(001)高能面纳米形貌不变，同时实现其他晶面的纳米修饰，最终实现微晶光催化活性的明显提升。

Selective deposition of homogeneous nanoparticles on the surface of titanium dioxide microcrystals to enhance photocatalytic activity

【技术实现步骤摘要】
在二氧化钛微晶表面选择性沉积同质纳米颗粒提升光催化活性的方法
本专利技术方法涉及一种在(001)面暴露的二氧化钛微晶上选择性沉积二氧化钛纳米颗粒的方法，以明显提升二氧化钛微晶的光催化活性，属于环境材料

技术介绍
作为一种高级氧化技术，光催化技术具有巨大的发展潜力，是解决日益严重的环境污染和能源危机的有效方案。二氧化钛(TiO2)具有化学稳定性好、成本低、环境友好等优点，是目前光催化工业应用最佳的光催化剂选择。常见的TiO2晶相有锐钛矿、金红石、板钛矿和TiO2(B)等，其中，锐钛矿相拥有相对最佳的光催化活性。锐钛矿相TiO2的(001)面具有高的表面能和光催化活性。因此，(001)面暴露的TiO2单晶的制备及其光催化应用吸引了研究者广泛的关注。但是，受制于其相对较大的尺寸，微米级(001)面暴露的TiO2微晶光催化活性相对较低，研究者往往通过掺杂、贵金属沉积、复合石墨烯或其他光催化剂等技术提高催化剂的光响应范围，抑制光生载流子的无效复合，从而提升其光催化活性。已有沉积技术不可避免地覆盖了具有高光催化活性的(001)高能面，一定程度上失去了制备(001)面暴露TiO2微晶的初衷。本专利技术巧妙利用TiF4水溶液沉积TiO2纳米颗粒的特性，实现TiO2纳米颗粒在微晶(101)面上的选择性生长以引入台阶和相结(phasejunction)，增加其表面积，同时保持(001)面暴露。本专利技术的技术方案显著提升了(001)面暴露TiO2微晶的光催化活性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种在二氧化钛微晶表面选择性沉积同质纳米颗粒提升光催化活性的方法，为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：在二氧化钛微晶表面选择性沉积同质纳米颗粒提升光催化活性的方法，主要包括以下几个步骤：1)称取TiO2微晶，充分分散于TiF4水溶液中；2)将上述溶液于一定温度静置一段时间；3)分离清洗沉淀物，干燥。优选的，每20mgTiO2微晶充分分散于15mLTiF4水溶液中。优选的，所述的TiF4水溶液浓度为0.04摩尔/升。优选的，所述的溶液置于60-80℃静置6-72小时。本专利技术中TiO2微晶为具有(001)面暴露的TiO2微晶，其制备可以采用Liu等人的公开技术[MinLiu,etal.,Chem.Commun.,2010,46,1664-1666]，具体过程及产物特征见实施例1。60℃温度下，TiF4水解形成Ti(OH)4并释放F-离子。其中Ti(OH)4可以在合适的衬底上非均匀形核生长，形成锐钛矿相TiO2纳米颗粒。我们注意到，(001)面暴露的TiO2微晶的制备原理是基于F-离子在(001)面上的选择性吸附而阻碍TiO2在其上的进一步沉积进而得到保留。可以预期，在本专利技术采用的TiF4水解体系中，溶液中的F-离子在微晶的(001)面上选择性吸附，从而阻碍锐钛矿相TiO2纳米颗粒在该晶面上的形核长大，而其他晶面则不受影响，最终实现纳米颗粒在微晶(101)面上的选择性沉积，保留其高活性的(001)面暴露。沉积的TiO2纳米颗粒尺寸为50-80nm。通过改变反应时间，微晶表面生长TiO2纳米颗粒的数量可控。反应一步完成，步骤简便，操作安全，不涉及高温高压，是一种节能环保的(001)面暴露TiO2微晶光催化活性提升方法。(101)面沉积锐钛矿相TiO2纳米颗粒后，显著增加其粗糙度，引入台阶等表面缺陷，有利于目标降解物的吸附。此外，不同制备路径获得的锐钛矿相TiO2的能带结构有差异，他们之间的牢固结合可以引入相结，促进光生电子空穴对的空间分离，也有利于提升光催化活性。附图说明图1为实施例1所制备TiO2微晶的场发射扫描电子显微镜照片；图2为实施例1所制备TiO2微晶的X射线衍射图谱；图3为实施例2在微晶上生长TiO2纳米颗粒的场发射扫描电子显微镜照片；图4为实施例2在微晶上生长TiO2纳米颗粒的X射线衍射图谱；图5为实施例3在微晶上生长TiO2纳米颗粒的场发射扫描电子显微镜照片；图6为实施例4在微晶上生长TiO2纳米颗粒的场发射扫描电子显微镜照片；图7为实施例5在微晶上生长TiO2纳米颗粒的场发射扫描电子显微镜照片；图8为实施例6在微晶上生长TiO2纳米颗粒的场发射扫描电子显微镜照片；图9为实施例1所制备TiO2微晶在紫外灯下降解苯酚的曲线；图10为实施例2在微晶上生长TiO2纳米颗粒紫外灯下降解苯酚的曲线；具体实施方式实施例11)分别量取3mL质量百分比为30％的过氧化氢和0.1mL质量百分比为35％的氢氟酸水溶液均匀分散于27mL去离子水中，称取10mg钛粉分散其中，形成反应体系；2)将上述反应体系转入50mL高分子内衬不锈钢水热釜中，180℃下反应10小时，得到沉淀物；3)所制得沉淀物6000r/min离心水洗三次，再进行6000r/min离心乙醇洗三次，60℃干燥后经400℃热处理1小时即可制备得到(001)面暴露的TiO2微晶。按照实施例1制备得到样品的场发射扫描电子显微镜形貌如图1所示。从图中可以看出，TiO2微晶具有典型的截角八面体形貌，由顶部和底部边长为约500nm的两个正方形(001)高能面和8个上底长为约500nm，下底长为约1μm的等腰梯形(101)面组成。按照实施例1制备得到样品的X射线衍射图谱如图2所示，根据JCPDS卡片21-1272，TiO2微晶显示出良好的结晶度，为锐钛矿相。实施例21)称取20mg按照实施例1所制备得到的(001)面暴露的TiO2微晶，分散于15mL浓度为0.04摩尔/升的TiF4水溶液中；2)将所述溶液转入60℃烘箱中静置6小时；3)分离清洗沉淀物。按照实施例2制备得到样品的场发射扫描电子显微镜形貌如图3所示。从图中可以看出，在60℃溶液中反应6小时后，按照实施例2所制备的TiO2微晶的(101)面上均匀分布TiO2纳米颗粒，平均尺寸为50-80纳米。同时成功保留了TiO2微晶中具有高光催化活性的(001)高能面形貌不变。按照实施例2制备得到样品的X射线衍射图谱如图4所示，根据JCPDS卡片21-1272，所制备样品仅包含锐钛矿相TiO2，没有任何杂相。比较图2和图4结果，可以判定沉积生长在微晶表面的TiO2纳米颗粒也为锐钛矿相。实施例31)同实施例2；2)将所述溶液转入60℃烘箱中静置12小时；3)分离清洗沉淀物。图5的微晶形貌照片表明，实现了TiO2纳米颗粒在微晶(101)面的选择性沉积，高能(001)面未受影响。实施例41)同实施例2；2)将所述溶液转入60℃烘箱中静置24小时；3)分离清洗沉淀物。图6的微晶形貌照片表明，实现了TiO2纳米颗粒在微晶(101)面的选择性沉积，高能(001)面未受影响。实施例51)同实施例2；2)将所述溶液转入60℃烘箱中静置48小时；3)分离清洗沉淀物。图7的微晶形貌照片表明，实现了TiO2纳米颗粒在微晶(101)面的选择性沉积，高能(001)面未受影响。实施例61)同实施例2；2)将所述溶液转入60℃烘箱中静置72小时；3)分离清洗沉淀物。图8的微晶形貌照片表明，实现了TiO2纳米颗粒在微晶(101)面的选择性沉积，高能(001)面未受影响。反应72小时后的样品与反应6小时制备所得样品相比，TiO2纳米颗粒生长致本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在二氧化钛微晶表面选择性沉积同质纳米颗粒提升光催化活性的方法，其特征是：使二氧化钛纳米颗粒选择性地在二氧化钛微晶的(101)面沉积，同时使二氧化钛微晶的高能面(001)面保持不变。

【技术特征摘要】
1.在二氧化钛微晶表面选择性沉积同质纳米颗粒提升光催化活性的方法，其特征是：使二氧化钛纳米颗粒选择性地在二氧化钛微晶的(101)面沉积，同时使二氧化钛微晶的高能面(001)面保持不变。2.根据权利要求1所述的在二氧化钛微晶表面选择性沉积同质纳米颗粒提升光催化活性的方法，其特征是：所述的二氧化钛微晶为截角八面体形貌，具有两个(001)高能面和八个(101)面。3.根据权利要求1所述的在二氧化钛微晶表面选择性沉积同质纳米颗粒提升光催化活性的方法，其特征是：所述的二氧化钛纳米颗粒的粒径为50～80nm。4.根据权利要求1所述的在二氧化钛微晶表面选择性沉积同...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢欢，吴进明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33