一种具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒及其制备方法和应用，涉及纳米功能材料技术领域。本发明专利技术提供的(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒及其制备方法，包括以下步骤：采用醋酸将水溶性氟盐的乙二醇水溶液的pH值调节至3.0～5.4，得到酸性电解液；以钛片为阳极，以铂片为阴极，以所述酸性电解液为电解液，通入直流电进行阳极氧化反应，得到二氧化钛纳米管阵列；将所述二氧化钛纳米管阵列进行退火热处理，得到具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒。本发明专利技术制备的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒与Ti片结合牢固，粒径小，反应活性高，能够作为正极材料和光催化材料使用；而且制备方法操作简单，安全环保。

【技术实现步骤摘要】
一种具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒及其制备方法和应用
本专利技术涉及纳米功能材料
，具体涉及一种具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒及其制备方法和应用。
技术介绍
二氧化钛凭借其优良的光催化性、化学稳定性和光稳定性，在化妆品、催化剂、涂料、药剂、防晒霜和太阳能电池等方面得到了广泛应用。近年来，一维二氧化钛纳米材料(如纳米管、纳米线、纳米棒、纳米带、纳米纤维等)因具有优异的性能和潜在应用而引起了人们的广泛关注。TiO2之所以被广泛研究和应用，除了粒径大小和晶体结构的影响，其表面的原子结构和性质也被引起了广泛关注。不同的晶面原子排布不同，TiO2所具有的物理和化学性质也不相同。因此，深入研究TiO2的特殊晶面是开发其特殊性能的关键。目前，最为常用的制备暴露有明确晶面的单晶TiO2方法包括：水热法、溶剂热法和非水解法，上述制备可以通过控制各晶面沿着不同方向生长的速度来调控晶体形成的形状，其中，水热法为最早的制备方法，应用广泛。例如，H.G.Yang等(Yang,H.G.,etal.,AnataseTiO2singlecrystalswithalargepercentageofreactivefacets.Nature,2008.453(7195):638-641)采用水热合成法第一次制备出了暴露有(001)晶面的单晶TiO2，其中暴露出(001)晶面的面积占据整个单晶面积的47％，然而其合成方法复杂且形成的单晶颗粒多为微米级。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒及其制备方法和应用，本专利技术提供的制备方法得到的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒为纳米级，粒径小，反应活性高，且制备方法操作简单。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：采用醋酸将水溶性氟盐的乙二醇水溶液的pH值调节至3.0～5.4，得到酸性电解液；以钛片为阳极，以铂片为阴极，以所述酸性电解液为电解液，通入直流电进行阳极氧化反应，得到二氧化钛纳米管阵列；将所述二氧化钛纳米管阵列进行退火热处理，得到具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒。优选的，所述水溶性氟盐的乙二醇水溶液的浓度为0.1～0.5wt％；所述水溶性氟盐的乙二醇水溶液中水和乙二醇的体积比为1:(20～100)。优选的，所述直流电的电压20～100V。优选的，所述阳极氧化反应的时间为0.1～6h。优选的，所述退火热处理的温度为300～850℃，时间为0.5～5h。优选的，所述钛片在使用前进行预处理，所述预处理包括依次进行的超声清洗和干燥。优选的，所述超声清洗的超声功率为10～100W，时间为30～90min。本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒，所述单晶二氧化钛纳米颗粒的粒径为100～180nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒作为光催化材料或正极材料的应用。本专利技术提供了一种具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：采用醋酸将水溶性氟盐的乙二醇水溶液的pH值调节至3.0～5.4，得到酸性电解液；以钛片为阳极，以铂片为阴极，以所述酸性电解液为电解液，通入直流电进行阳极氧化反应，得到二氧化钛纳米管阵列；将所述二氧化钛纳米管阵列进行退火热处理，得到具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒。本专利技术提供的制备方法，采用醋酸调节水溶性氟盐的乙二醇水溶液的pH值，二氧化钛纳米管阵列吸附醋酸根，在退火热处理过程中醋酸根生成CO2气体，会导致纳米管阵列坍塌，这些坍塌的纳米级别的碎片成为单晶颗粒形成的前驱体，前驱体在退火热处理过程诱发形核和结晶，在结晶过程中管表面所吸附的H离子和F离子则作为封端剂，使得单晶颗粒的(001)面暴露的面积更多，提高了具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒的比表面积，生成具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒，因而，相比于HF而言，醋酸安全可靠且又能使钛片形成纳米级的单晶颗粒；由于受到二氧化钛纳米管阵列吸附的醋酸的影响，经退火热处理后得到的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒的粒径与水热法相比缩小了10倍，具有更高得反应活性。而且，本专利技术提供的制备方法经过阳极氧化和退火两步处理，操作简单，更加环保，制备过程中无有毒和污染物质。本专利技术提供了一种上述技术方法制备的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒，所述单晶二氧化钛纳米颗粒的粒径为150nm。本专利技术提供的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒粒径小，退火热处理处理后在Ti片表面形成薄膜，与Ti片结合牢固；相较于普通二氧化钛纳米管阵列，具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒作为锂离子电池的正极材料，能够使得锂离子电池的比容量进一步提高，对于有机污染物的光催化降解效果优异。而且，目前合成的具有(001)晶面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒大多采用水热法，合成的粉末颗粒，还需进一步加工才能运用于电池、光催化领域。而本专利技术提供的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒在Ti片表面形成薄膜，与Ti结合牢固，作为光催化材料以及正极材料使用时，都无需再进行负载处理和加固。附图说明图1为具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒的制备流程图；图2为实施例1制备的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒和对比例3制备的普通锐钛矿二氧化钛纳米管阵列的整体形貌图，其中，(a)为实施例1，(b)为对比例3；图3为实施例1和对比例4制备的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒的SEM图如图3所示，其中，实施例1制备的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒在不同标尺下的SEM图如图3所示，其中，(a)实施例1制备的，标尺为1μm，(b)实施例1制备的，标尺为500nm，(c)实施例1制备的，标尺为200m，(d)引文制备的，标尺为1μm；图4为实施例1制备的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒的STEM图如图4所示，其中，(a)、(b)、(c)和(d)为单晶二氧化钛纳米颗粒不同位置的STEM图像；图5为实施例1制备得到的具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒不同标尺下的TEM图如图5所示，其中，(a)标尺为20nm，(a)中的内标图(c)为(a)中单晶颗粒的选区衍射图像，(b)标尺为为50nm，(b)中的内标图(d)为(b)中单晶颗粒的选取衍射图像；图6为对比例1～2制备的二氧化钛纳米管的SEM图如图6所示，其中，(a)为对比例1在500nm标尺下的表面形貌图，(a)的内标图为对比例1的样品在500nm标尺下的侧面图，(b)为对比例2在500nm标尺下的表面形貌图，(b)的内标图为对比例2的样品在2um标尺下的侧面图；图7为实施例1制备的具有(0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n采用醋酸将水溶性氟盐的乙二醇水溶液的pH值调节至3.0～5.4，得到酸性电解液；/n以钛片为阳极，以铂片为阴极，以所述酸性电解液为电解液，通入直流电进行阳极氧化反应，得到二氧化钛纳米管阵列；/n将所述二氧化钛纳米管阵列进行退火热处理，得到具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用醋酸将水溶性氟盐的乙二醇水溶液的pH值调节至3.0～5.4，得到酸性电解液；
以钛片为阳极，以铂片为阴极，以所述酸性电解液为电解液，通入直流电进行阳极氧化反应，得到二氧化钛纳米管阵列；
将所述二氧化钛纳米管阵列进行退火热处理，得到具有(001)面暴露的单晶二氧化钛纳米颗粒。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性氟盐的乙二醇水溶液的浓度为0.1～0.5wt％；
所述水溶性氟盐的乙二醇水溶液中水和乙二醇的体积比为1:(20～100)。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述直流电的电压20～100V。


4.根据权利要求1或3所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘一鸣，张王刚，王剑，田入峰，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14