本发明专利技术公开了一种板钛矿二氧化钛纳米晶及其制备方法。该纳米晶具有规则的切角四方形轮廓；颗粒大小均一，长度为60~80?nm，宽度为40~60?nm，厚度为15~30?nm；裸露晶面为四个{210}，两个{101}和两个{201}。这些具有特殊晶面暴露的纯相和贵金属负载型板钛矿二氧化钛纳米晶显示出了优越的光催化活性，它们在催化及其相关的领域具有非常广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米材料领域，涉及一种具有特殊裸露晶面的纯相和贵金属负载型板钛矿二氧化钛纳米晶光催化材料及其制备方法。
技术介绍
纳米材料由于具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应等，使得其在催化、磁性、电学和光学等方面呈现出不同于宏观材料的特殊性能。借助于纳米材料的特殊性质，半导体材料在光、电、磁、传感器等领域的应用得到了很大的扩展。其中，二氧化钛作为一类用途广泛的半导体材料，在催化和光催化、白色颜料和清洁涂层以及染料敏化太阳能电池等领域内都发挥着重要作用。近年来，控制合成具有清晰晶面特别是高能面裸露的无机纳米材料已经成为许多领域的热点之一，由于这些材料的很 多独特的光学，电学，以及催化等性能都来源于形貌效应。作为一类非常优异的光催化材料，二氧化钛具有无毒，高活性和稳定性的独特优势。二氧化钛在自然界中主要有三种晶型，即锐钛矿、金红石和板钛矿。其中，锐钛矿和金红石由于比较容易合成而在理论和实际应用各方面都得到了很深入的研究和应用。然而，作为一种亚稳相的板钛矿常常出现在锐钛矿和金红石的混合相中，而纯相板钛矿的合成则相当困难。尽管有使用钛酸盐或者含钛的络合物为前驱体制备板钛矿的报道，然而这些方法具有很多明显的缺陷，比如采用强碱性(pH ^ 10)或者强酸性(pH ( 2)的溶液，较高的反应温度220 °C)和较长的反应时间(> 48 h)以及复杂的制备过程等，在很大程度上限制了板钛矿晶型二氧化钛的规模化生产和应用；除此之外，具有特定晶面暴露的纳米尺度(<100 nm)板钛矿的合成则更加困难，文献上鲜有报道。本专利技术提出的制备高纯度的板钛矿纳米晶的方法简单，原料来源丰富，成本低廉；并且反应体系的碱度低(PH=8、)，反应温度低(彡200 0C),反应时间短(彡15 h)等具有极大的优势。而且这种纳米晶具有特定的暴露面，其催化活性明显高于相应的没有规则裸露面的单晶纺锤体状和花状板钛矿。大量的实验研究表明，贵金属纳米颗粒比如金，银，钼，钯等在很多催化反应中具有非常优异的活性，然而由于其价格昂贵而使得它们的应用受到了限制，因此可以通过将贵金属负载到特定的载体上以固定和分散贵金属颗粒从而达到降低催化剂成本的目的。值得一提的是，这种纳米晶在负载贵金属后的光催化活性得到了显著的提高并且超过了商品的Degussa P25。因此，这种板钛矿单晶纳米晶及其贵金属负载型材料在催化和其他相关的领域具有非常广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有特殊暴露晶面的纯相和贵金属负载型板钛矿二氧化钛纳米晶及其制备方法。本专利技术提出的板钛矿二氧化钛纳米晶具有规则的切角四方形轮廓，颗粒大小均一，长度为60 80 nm，宽度为40 60 nm，厚度为15 20 nm，特殊暴露晶面为四个{210}，两个{101}和两个{201}。利用紫外光辐照，实现了贵金属在这些纳米晶上的还原沉积负载。通过调节可溶性贵金属溶液的浓度，可以很容易地得到不同贵金属含量的负载型板钛矿二氧化钛纳米晶材料。而且，这些负载在纳米晶表面的贵金属单质颗粒小，分散均匀。本专利技术提出了上述板钛矿二氧化钛纳米晶的制备方法先将TiCl4在去离子水中分解成可溶性的含钛络合物，然后采用简单的水热法，以尿素作为原位的氢氧根来源，乳酸钠为络合剂和表面活性剂，通过溶液化学反应产生形成板钛矿的前驱体乳酸钛络合物，然后进一步反应分解得到高质量的板钛矿纳米 晶。控制TiCl4在水溶液的浓度在0. 2^0. 5 M之间，TiCl4需要缓慢滴加到搅拌下的水溶液中，并且使用冰水浴冷却溶液；加入的尿素浓度调节至I. (T2. 0 M，添加的乳酸钠的量控制在0. 2^0. 5 M ;反应的温度设定为180 °(T300 C，反应时间控制在1(T48 h。本专利技术同样提出了贵金属负载的板钛矿纳米晶的制备方法首先配制一定浓度的可溶性贵金属盐的异丙醇水溶液(100-300 mL)，在磁力搅拌下将适量的板钛矿纳米晶分散于溶液中(控制异丙醇的浓度为0. 1-1 M，贵金属的负载量为0. 1-20 wt%)，可溶性贵金属盐可选金、银、钼、钯对应的盐中的一种或几种。光照前预先往上述悬浮液中通入惰性气体(高纯氮气，氦气或者氩气)约I h以排除其中残留的氧气，然后使用紫外灯源(配备有一定波长滤波片的高压汞灯或者氙灯)光照12-24 h可得到贵金属负载的样品，负载金属后的样品的干燥需要在真空条件下进行，烘干温度80-150 °C，时间12-24 h。本专利技术的另一个目的是提供具有特殊暴露晶面的纯相和贵金属负载型板钛矿二氧化钛纳米晶在光催反应中的应用。通过紫外光照降解有机物污染物的实验表明，该专利技术所提供的纯相以及贵金属负载型板钛矿二氧化钛纳米晶均具有优异的催化活性，在相同实验条件下有些催化剂的活性甚至超过商品化的Degussa P25。因此，这些催化剂在光催化及其相关的领域内将有非常广阔的应用前景。与现有的制备板钛矿型二氧化钛和贵金属负载型催化剂的方法相比，本专利技术提供的制备具有特殊暴露晶面的纯相和贵金属负载型板钛矿纳米晶的方法具有以下几个显著的特点I.原料来源即TiCl4、尿素、乳酸钠等廉价易得，生产成本较低。2.制备过程简单，各种实验参数变量容易控制，实验结果重复性很好。3.相比于其他制备纯相板钛矿的条件，该专利技术所使用的反应温度低，反应时间短，而且产生板钛矿的溶液碱度较低。4.所制备的板钛矿二氧化钛纳米晶颗粒小(三维尺度均在100 nm以内)，具有四个{210}，两个{101}和两个{201}裸露晶面。5.负载过程不需要传统贵金属负载型催化剂的制备方法(比如浸溃法、共沉淀法、沉积-沉淀法等)中需要进行载体的预处理、溶液酸碱度的调节以及产物的煅烧和还原等复杂过程。6.在常温常压下通过紫外光照还原有效实现了贵金属在纳米晶表面上的负载，而且这些负载上的金属颗粒小，分散均匀。克服了传统贵金属负载方法经常出现的金属颗粒大和团聚严重的缺点。附图说明图I为水热处理时间12 h制备的纯相板钛矿二氧化钛的XRD图谱。图2为水热处理时间12 h制备的板钛矿纳米晶的TEM图。图3为板钦矿纳米晶的形态和晶面暴露情况不意图。图4为水热反应时间12和20 h制备的板钛矿纳米晶的甲基橙紫外光降解图，其中将没有使用任何催化剂的情况作为对比。图5为贵金属Pt I wt%, Au I wt%, Ag 5 wt%和Pd I wt%负载的板钛矿纳米晶(使用20 h制备的样品为载体)进行甲基橙紫外光降解的活性图。具体实施方式 上述纯相板钛矿二氧化钛纳米晶可按以下方法制备在常压下，以TiCl4S钛源在冰水浴冷却下的去离子水中水解，产生可溶性的含钛络合物，然后加入尿素作为原位的氢氧根来源搅拌溶解，接下来加入络合剂和表面活性剂混合均匀，经过水热处理、分离、洗涤干燥得到板钛矿二氧化钛纳米晶。上述贵金属负载的板钛矿二氧化钛纳米晶可按以下方法制备首先配制一定浓度的贵金属的异丙醇水溶液，然后在磁力搅拌下将适量的板钛矿纳米晶样品分散于上述溶液中。为了排除溶液中残留的氧气对负载过程的影响，需要在搅拌下往上述悬浮液中通入惰性气体，然后使用紫外灯源光照一定时间得到贵金属负载的样品。纯相板钛矿二氧化钛纳米晶制备的工艺规范如下由于合成板钛矿本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种板钛矿二氧化钛纳米晶，其特征在于该纳米晶具有规则的切角四方形轮廓；颗粒大小均一，长度为60 80 nm，宽度为40 60 nm，厚度为15 30 nm;裸露晶面为四个{210}，两个{101}和两个{201}。2.一种板钛矿二氧化钛纳米晶的制备方法，包括如下步骤使用TiCl4为钛源在去离子水中水解成可溶性的含钛络合物，然后加入尿素作为原位的氢氧根来源，乳酸钠为络合剂和表面活性剂，经过水热处理得到纯相板钛矿纳米晶。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于=TiClpK解后含钛络合物溶液的浓度为0. 2^0. 5 M，加入的尿素浓度为I. (T2. 0 M，乳酸钠浓度为0. 2^0. 5 M。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于反应温度设定为180°(...
【专利技术属性】
技术研发人员：李广社，林海峰，李丽萍，关翔锋，黄新松，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：
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