一种晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用，属于无机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域。该金红石相TiO2由钛酸镁在熔盐法下低温刻蚀形成。该方法利用熔盐刻蚀法，通过将镁元素刻蚀出而形成晶格扭曲的金红石相TiO2。该二氧化钛的光吸收区域由紫外向可见区域扩宽。刻蚀形成的晶格扭曲的金红石相TiO2，在降解污染物方面性能相较于商业的金红石相TiO2得到了明显的提升，将二氧化钛材料往压电催化领域内进一步研究与发展。内进一步研究与发展。

【技术实现步骤摘要】
一种晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及无机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护
，具体涉及一种晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用，该方法可以提高金红石的压电光催化性能。

技术介绍

[0002]二氧化钛(TiO2)作为一类优良的光催化剂，已广泛应用于环境修复。大量研究表明，二氧化钛光催化可以有效地去除广谱有机污染物、灭活微生物细胞。到目前为止，锐钛矿二氧化钛几乎只用于基于光催化的杀菌应用，而金红石二氧化钛的杀菌应用几乎没有报道过。这主要是由于金红石二氧化钛的导带边缘电位比锐钛矿二氧化钛的高0.2V，导致还原半反应效率较低，往往限制了整体光催化效率。然而，金红石二氧化钛的这一缺点可以通过使用光电化学技术来克服。
[0003]同时为了满足新能源对未来关键技术的需求，迫切需要新型电池。混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)的发展，在很大程度上取决于高能量、高功率、安全、长寿命的电池的成本和可用性。现有的电池无法满足这些要求。需要开发具有设计灵活、功率大、安全、循环寿命长等特点的新型电池。这些新型电池将具有更好的容量能量、耐滥用性能和充放电功率。通过使用成熟的锂离子技术和低成本的原材料，将实现合理的成本。由于使用石墨基阳极在特定的工作条件下表现出不良的性能，即低温和高充放电率。因此，人们对开发具有增强动力学和高速率能力的替代阳极材料越来越感兴趣。基于氧化钛的阳极材料由于其在廉价、安全性和毒性方面的优势(甚至与其他潜在的阳极材料相比)，有希望成为炭质阳极的替代材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用，通过熔盐法刻蚀钛酸镁获得高纯度晶格扭曲的金红石相TiO2，该晶格扭曲的金红石相TiO2纳米材料将而金红石相TiO2向压电催化材料方面扩展，进而扩展压电催化领域的能力。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料的制备方法，该方法是利用低温熔盐法将钛酸镁(MgTiO3)中的镁元素刻蚀出来形成所述晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料。
[0007]该方法是以钙钛矿材料钛酸镁和无机非金属盐氯化铵为原料，将无机非金属盐NH4Cl快速升到其熔点之上，在熔融状态下，将钙钛矿材料钛酸镁中镁元素刻蚀掉，即得到所述晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料。
[0008]该方法具体包括如下步骤：
[0009](1)配置反应前驱体：将钛酸镁(MgTiO3)和氯化铵(NH4Cl)按重量比例1：(20
‑
40)称量后，混合倒入球磨罐中球磨6
‑
12h后，得到反应前驱体；
[0010](2)低温熔盐法刻蚀：将步骤(1)所得反应前驱体倒入坩埚中，放入马弗炉内，升温到350
‑
400℃并保温6
‑
12h，随炉自然冷却后完成刻蚀过程；
[0011](3)洗涤与烘干：将步骤(2)中刻蚀后所得物料取出后，用去离子水反复离心洗涤后，再用酒精清洗；将洗涤后所得粉末在50
‑
80℃条件下干燥过夜，得到钛酸镁与金红石相TiO2两相混合材料；
[0012](4)将得到的两相混合材料与氯化铵(NH4Cl)按重量比例1：(20
‑
40)混合后，倒入球磨罐中球磨6
‑
12h；再按照步骤(2)
‑
(3)的过程操作；
[0013](5)在步骤(2)刻蚀条件下，不能将原料钛酸镁(MgTiO3)中Mg元素一次全部刻蚀出；因此需要重复操作步骤(4)的过程多次(优选3
‑
8次)，直至将钛酸镁(MgTiO3)中Mg元素全部刻蚀出来，即得到所述晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料。
[0014]所制备的晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料为四方晶相，晶粒尺寸为20
‑
80nm。
[0015]所述晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料的晶格扭曲，其晶格参数a轴＝b轴，a轴与b轴相较于商用二氧化钛材料伸长，c轴相较于商用二氧化钛材料则缩短。
[0016]该二氧化钛纳米材料由于晶格畸变(扭曲)导致其中心电子结构不对称进而产生极化，使其产生一定的压电材料性能，能够在施加一定的外力的作用下(施加压力)具有降解污染物性能。
[0017]该二氧化钛纳米材料的光吸收区域由紫外向可见区域扩宽，其禁带宽度为3.0
‑
3.2eV，能够吸收太阳光谱中紫外与可见波段的光能。
[0018]该晶格扭曲的金红石相TiO2材料可作为压电材料在光照条件下催化降解污染物，应用过程为：该晶格扭曲的金红石相TiO2纳米材料应用过程为：将该材料置于含污染物(如染料)的溶液中，先黑暗状态下吸附一定时间使达到吸附饱和，然后再在超声和可见光照射条件下使污染物进行催化降解。
[0019]本专利技术的技术原理如下：
[0020]本专利技术将钙钛矿介电材料MgTiO3通过在无机非金属盐NH4Cl在熔融状态下将Mg
2+
剥离出去而形成晶格扭曲的金红石相TiO2，由于其在原本MgTiO3的结构基本上得到的相，导致其本生的晶格发生畸变，会使其中心电荷不对称产生极化，从而获得压电催化的性能。在制备过程中，在无机非金属盐NH4Cl的刻蚀下，不会一次就将所有的镁元素全部剥离出，所以需要多次循环刻蚀，最后可以得到纯度很高的晶格扭曲的金红石相TiO2。
[0021]本专利技术的优点在于：
[0022]1.本专利技术工艺流程简单、操作简便，能耗低，产量大，适合大批量生产。
[0023]2.本专利技术利用氯化铵在熔融状态下对MgTiO3本身的限制纳米颗粒生长，得到尺寸相对均匀，在20
‑
80nm的晶格扭曲的金红石相TiO2材料。
[0024]3.本专利技术制备晶格扭曲的金红石相TiO2相对于市面上常规方案合成出的金红石TiO2颜色更深，为棕黄色，其相应的在可见光的区域吸收扩宽。
[0025]4.本专利技术制备晶格扭曲的金红石相TiO2相对于市面上常规方案合成出的金红石TiO2在压电催化领域得到了应用。
[0026]5.本专利技术制备晶格扭曲的金红石相TiO2在2h内降解RhB率可达到85％以上。
[0027]6、本专利技术通过熔盐法刻蚀钛酸镁获得的高纯度晶格扭曲的金红石相TiO2，可使材料表面具有活化二氧化碳和富集光生电子的能力。
附图说明
[0028]图1为实施例1中刻蚀形成晶格扭曲的金红石相TiO2纳米材料和对比例1商业金红石相TiO2纳米材料的X射线衍射结果对比图。
[0029]图2为实施例1中刻蚀形成晶格扭曲的金红石相TiO2纳米材料和对比例1商业金红石相TiO2纳米材料的拉曼对比图。
[0030]图3为实施例1中刻蚀形成晶格扭曲的金红石相TiO2纳米材料的XRD精修图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料的制备方法，其特征在于：该方法是利用低温熔盐法将钛酸镁(MgTiO3)中的镁元素刻蚀出来形成所述晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料。2.根据权利要求1所述的晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料的制备方法，其特征在于：该方法是以钙钛矿材料钛酸镁和无机非金属盐氯化铵为原料，将无机非金属盐NH4Cl快速升到其熔点之后，在熔融状态下，将钙钛矿材料钛酸镁中镁元素刻蚀掉，即得到所述晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料。3.根据权利要求1或2所述的晶格扭曲的金红石相二氧化钛纳米材料的制备方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：(1)配置反应前驱体：将钛酸镁(MgTiO3)和氯化铵(NH4Cl)按重量比例1：(20
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40)称量后，混合倒入球磨罐中球磨6
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12h后，得到反应前驱体；(2)低温熔盐法刻蚀：将步骤(1)所得反应前驱体倒入坩埚中，放入马弗炉内，升温到350
‑
400℃并保温6
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12h，随炉自然冷却后完成刻蚀过程；(3)洗涤与烘干：将步骤(2)中刻蚀后所得物料取出后，用去离子水离心洗涤多次，再用酒精清洗；再将洗涤后所得粉末在50
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80℃条件下干燥过夜，得到钛酸镁与金红石相TiO2两相混合材料；(4)将得到的两相混合材料与氯化铵(NH4Cl)按重量比例(20
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40)混合后，倒入球磨罐中球磨6
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12h；再按照步骤(2)
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(3)的过程操作；(5)重复操作步骤(4)的过程多次，将钛酸镁(MgTiO...

【专利技术属性】
技术研发人员：李琦，夏陶涛，杨炜沂，高爽，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：