一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法及应用技术

一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法及应用，属于半导体光催化材料的制备方法和用途。具体涉及一种在环己醇‑六氟钛酸‑钛酸四丁酯反应体系中制备{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的方法，以及其作为半导体材料在光催化分解水析氢反应方面的应用。该方法将六氟钛酸和钛酸四丁酯溶解于环己醇中；将所得溶液置于密闭的均相反应容器中进行反应；反应结束后快速冷却，再经分离、洗涤和干燥即得目标产物。本方法工艺简便，重复性好，且所得产品纯度高，分散性好，尺寸分布均匀、可控，具有纳米多孔结构和高{001}晶面暴露比，有望大规模生产。将二氧化钛纳米片用作光催化材料，其水解析氢性能优异，因此具有良好的经济效益和较广阔的市场前景。

Preparation and application of porous titania nano sheet exposed on {001} crystal surface

【技术实现步骤摘要】
一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法及应用
本专利技术涉及一种半导体光催化材料的制备方法和用途，特别是一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法及应用。
技术介绍
作为一种重要的氧化物半导体材料，二氧化钛(TiO2)已被广泛应用于环境、能源、化工、生命科学等诸多领域中。对于TiO2光催化剂来说，许多物理和化学过程都发生在表面上，光催化性能很大程度上取决于其表面结构。已有研究表明，锐钛矿型TiO2材料在有机污染物降解和水分解等方面的光催化性能极大程度上取决于晶体暴露面的类型和比例。通常来说，锐钛矿型TiO2的{101}晶面具有最低的表面能(0.44Jm-2)和较好的动力学稳定性，因此较容易暴露在晶体的外表面，形成以{101}面为主导的截断八面体双锥结构。相比之下，{001}晶面由于具有较高的表面能(0.90Jm-2)而不能大规模暴露在表面。然而，最新研究发现，TiO2晶体的{001}晶面在光生电子和空穴的选择性分离中也起着关键作用。因此，如何制备结构稳定且光催化性能优异的高{001}晶面暴露比的TiO2纳米片就成为目前光催化研究领域中的一个热点问题。为了解决这一难题，氢氟酸常被用作封端剂来稳定锐钛矿型TiO2的{001}晶面，并以此获得高暴露比例的{001}晶面。这种锐钛矿型TiO2晶体在太阳能电池、光催化、光子和光电器件等领域具有重要的研究价值和应用潜力。尽管目前已开发出不同的水热和溶剂热(乙醇或异丙醇)体系来控制这种锐钛矿型TiO2纳米片的生长，然而这些现有的制备技术仍存在危险性高、制备过程繁琐、时间长、所得产物的形貌或性能不佳等问题。因此急需开发出一种简单、高效、安全的方法来制备形态规则且性能优异的TiO2纳米片。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法及应用，解决一般制备方法中存在的危险性高、时间长、过程复杂、所得产物的形貌或性能不佳的问题。本专利技术的目的是这样实现的：制备方法是将一定量的钛源溶于环己醇中，得到均匀的溶液；将上述溶液转移至密闭的均相反应容器中，使钛源在环己醇溶剂中进行溶剂热反应；反应结束后快速冷却，再经分离、洗涤和干燥，最终获得纯度高、分散性好、{001}晶面暴露比高的多孔锐钛矿型TiO2纳米片。本专利技术的具体步骤包括：步骤(1)、将一定量的钛源加入到环己醇中，搅拌溶解后得到乳白色溶液(1)；步骤(2)、将乳白色溶液(1)转移至密闭、耐压的均相反应容器中进行反应；步骤(3)、反应完成后，将产物取出进行分离、洗涤和干燥，获得白色的多孔TiO2纳米片。步骤(1)中，所述钛源为六氟钛酸和钛酸四丁酯的混合物；溶液中钛的总摩尔浓度为0.01～0.5mol/L；六氟钛酸与钛酸四丁酯的摩尔比为2:1～1:10；步骤(1)中，所述搅拌时间为1～30min，搅拌速度为200～800rpm。步骤(2)中，所述反应时的温度为150～220℃；反应时间为30～200min；均相反应容器的旋转速度为150～500rpm。步骤(3)中，所述分离方式为离心或抽滤；所用洗涤溶剂为去离子水、无水乙醇或丙酮；干燥的方式是自然晾干、冷冻干燥或真空干燥。步骤(3)中，所得TiO2纳米片的长、宽范围为500～950nm，厚度范围为5～20nm；纳米片的分散性高、尺寸分布均匀且可控、具有多孔结构；孔径范围为1～20nm；{001}晶面的暴露比例达到95％～99％。基于TiO2纳米片在光催化产氢和污染物降解的应用：基于多孔TiO2纳米片，制成TiO2/Pt光催化剂，将该TiO2/Pt光催化剂用作催化水分解产氢，获得优异的光催化产氢性能。将所得多孔TiO2纳米片负载Pt制成TiO2/Pt光催化剂，具体制备方法如下：首先，按一定质量比分别称取TiO2纳米片和氯铂酸；其次，向其中加入适量无水乙醇，充分搅拌，得到溶液；再次，将溶液置于光照下一段时间，随后洗涤并进行真空干燥；最终，获得负载Pt的多孔TiO2纳米片光催化剂。将所得TiO2/Pt光催化剂应用于光催化制氢的方法：步骤1、光催化产氢实验装置由一个50mL玻璃管和橡胶塞密封制成，光源为350W的氙灯；步骤2、取1～10mgTiO2/Pt光催化剂分散于甲醇/水混合液中，将该装置通氮气鼓泡30～60min后密封；步骤3、打开氙灯，将光催化产氢实验装置放置在距离光源15cm的位置；步骤4、反应时间为2.5h。期间每隔30min，取1mL气体通过气相色谱仪的分子筛，进行产氢测试。有益效果，由于采用了上述方案，本专利技术在环己醇溶剂热体系中，以六氟钛酸和钛酸四丁酯为原料来制备纯度高、分散性好且具有纳米多孔结构和高{001}晶面暴露比的TiO2纳米片。与传统方法中所使用的水、异丙醇等溶剂相比，环己醇的低极性和高粘度等特点更有利于{001}晶面的稳定性存在。六氟钛酸既可作为部分钛源，又可作为多孔TiO2纳米片的结构控制剂，与传统方法中使用的氢氟酸相比具有毒性低、反应更温和等优点。本专利技术制备的TiO2纳米片具有纳米多孔结构，为光催化制氢提供更多的反应位点，从而获得更优异的光催化性能。该TiO2纳米片以单一或复合的形式应用于光催化降解有机污染物、光催化产氢及其相关领域中。解决了一般制备方法中存在的危险性高、时间长、过程复杂、所得产物的形貌或性能不佳的问题，达到了本专利技术的目的。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)首次利用环己醇为溶剂、六氟钛酸和钛酸四丁酯为原料来制备多孔TiO2纳米片；所得产品形貌规整，纯度高，大尺寸，高分散且具有极高的{001}晶面暴露比；制备方法简单、重复性好、易于操作、有望应用于大规模工业化生产。(2)与传统方法中所使用的水、异丙醇等溶剂相比，环己醇的低极性和高粘度等特点更有利于{001}晶面的稳定性存在。六氟钛酸既可作为部分钛源，又可作为多孔TiO2纳米片的结构控制剂。与传统方法中使用的氢氟酸相比，具有毒性低、反应更温和等优点。另外，由于环己醇溶剂在反应后可与TiO2白色粉末完全分离，因此环己醇溶剂可重复利用，有效地节约能源和减少环境污染。(3)由于具有多孔、极高的{001}面暴露百分比等独特的结构优势，该TiO2纳米片负载铂后作为光催化材料使用时表现出了优异的光催化制氢性能。当Pt含量为4wt％时，制氢速率最大可达2239μmolh-1g-1。而且，Pt/TiO2催化剂在光催化过程中还表现出持久的循环稳定性。(4)本专利技术制备的TiO2纳米片在纳米多孔结构、{001}晶面暴露比例和光催化制氢应用方面的优势，使其具有良好的经济效益和较广阔的市场前景。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的TiO2纳米片的X-射线粉末衍射图。图2为本专利技术实施例1制备的TiO2纳米片的扫描电子显微镜图。图3为本专利技术实施例1制备的TiO2纳米片的高分辨透射电子显微镜照片。图4为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法，其特征是：制备方法是将一定量的钛源溶于环己醇中，得到均匀的溶液；将上述溶液转移至密闭的均相反应容器中，使钛源在环己醇溶剂中进行溶剂热反应；反应结束后快速冷却，再经分离、洗涤和干燥，最终获得纯度高、分散性好、{001}晶面暴露比高的多孔锐钛矿型二氧化钛纳米片。/n

【技术特征摘要】
1.一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法，其特征是：制备方法是将一定量的钛源溶于环己醇中，得到均匀的溶液；将上述溶液转移至密闭的均相反应容器中，使钛源在环己醇溶剂中进行溶剂热反应；反应结束后快速冷却，再经分离、洗涤和干燥，最终获得纯度高、分散性好、{001}晶面暴露比高的多孔锐钛矿型二氧化钛纳米片。


2.根据权利要求1所述的一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法，其特征是：本发明的具体步骤包括：
步骤(1)、将一定量的钛源加入到环己醇中，搅拌溶解后得到乳白色溶液(1)；
步骤(2)、将乳白色溶液(1)转移至密闭、耐压的均相反应容器中进行反应；
步骤(3)、反应完成后，将产物取出进行分离、洗涤和干燥，获得白色的多孔二氧化钛纳米片。


3.根据权利要求2所述的一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法，其特征是：步骤(1)中，所述钛源为六氟钛酸和钛酸四丁酯的混合物；溶液中钛的总摩尔浓度为0.01～0.5mol/L；六氟钛酸与钛酸四丁酯的摩尔比为2:1～1:10；
所述搅拌时间为1～30min，搅拌速度为200～800rpm。


4.根据权利要求2所述的一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法，其特征是：步骤(2)中，所述反应时的温度为150～220℃；反应时间为30～200min；均相反应容器的旋转速度为150～500rpm。


5.根据权利要求2所述的一种{001}晶面暴露的多孔二氧化钛纳米片的制备方法，其特征是：步骤(3)中，所述分离方式为离心或抽滤；所用洗涤溶剂为去离子水、无水乙醇或丙酮；干燥的方式是自然晾干、冷冻干燥或真空干燥。


6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，金永生，滕淑华，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32