一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的方法

摘要

本发明公开了一种一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的方法，步骤为：(1)称取一定量三氯化钛溶液加入到蒸馏水中，搅拌；(2)称取一定量抗坏血酸固体加入到溶液中，搅拌直至全部溶解；(3)将溶液转移至100mL聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，在180℃下反应10h；(4)待反应体系自然冷却至室温后，离心并用蒸馏水水洗，重复数次，然后将所得沉淀置于真空干燥箱中100℃下干燥10h，即得产品。本发明方法简单，合成过程耗时短且对环境友好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的方法，属于无机功能材料技术 领域。

背景技术

由于纳米二氧化钛(TiO₂)的特殊性质及在环境和能源领域中的潜在应用，使得它被广 泛研究。目前，纳米二氧化钛在光催化、光伏电池、染料敏化太阳能电池和锂离子电池等领 域发挥着重要作用。

二氧化钛的性能取决于晶体结构、形貌、比表面积和尺寸等因素。二氧化钛具有三种最 常见的晶相：锐钛矿(A)、金红石(R)和板钛矿(B)。这三种晶体结构均由扭曲的TiO₆八面体 组成，差别仅在于其连接方式。研究结果表明，与纯相二氧化钛相比，混相二氧化钛拥有更 高的电子-空穴分离能力，从而具有更高的光催化活性。此外，锐钛矿的光催化活性还与其暴 露的活性面有密切关系。自从发现利用氢氟酸可制备出高暴露{001}面的二氧化钛后，晶面依 赖的光催化活性问题引起了科研工作者的广泛关注。然而，基于氢氟酸合成二氧化钛的方法 很难大规模应用，因为其具有很大的毒性。因此，寻求简单、绿色的合成暴露高能面二氧化 钛的方法仍然是一个挑战。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种简单、绿色的一步合成混相和暴露高活 性面二氧化钛的方法。

本发明的技术方案概述如下：

一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的方法，包括如下步骤：

(1)按比例称取2.41-3.86g三氯化钛溶液(质量分数为20％，内含3％盐酸)，加入到 48-76mL蒸馏水中，搅拌，得到澄清溶液；

(2)向步骤(1)中加入0-0.44g抗坏血酸，在常温常压下，持续搅拌10min，得到澄 清溶液；

(3)将步骤(2)获得的澄清溶液转移至100mL聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，在 180℃下反应10h；

(4)待步骤(3)所得悬浮液冷却至室温后，在一定转速下离心10min，然后用蒸馏水 水洗，重复数次，将所得固体置于真空干燥箱中100℃下干燥10h，即得产品。

优选的是：

所述步骤(1)为：按比例称取3.86g三氯化钛溶液(质量分数为20％，内含3％盐酸)， 加入到76mL蒸馏水中，浓度为0.051g L^-1，搅拌，得到澄清溶液。

所述步骤(2)为：向步骤(1)中加入0.044g抗坏血酸，抗坏血酸与三氯化钛摩尔比为 0.05，在常温常压下，持续搅拌10min，得到澄清溶液。

所述步骤(3)为：将步骤(2)获得的澄清溶液转移至100mL聚四氟乙烯不锈钢高压反 应釜中，以5℃/min的速率从室温升至180℃，并在该温度下保持10h。

所述步骤(4)为：待步骤(3)所得悬浮液冷却至室温后，在4200r/min的转速下离心 10min，然后用蒸馏水水洗，重复三次，将所得固体置于真空干燥箱中100℃下干燥10h， 即得产品。

本发明的优点：

本发明所使用的原料绿色、方法简单、合成过程耗时短。通过调节抗坏血酸与三氯化钛 摩尔比可以一步合成同时具有混相和高活性面的二氧化钛，所获得的纳米粒子形貌比较规则。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。下面的实施例是为了使本领域的技术人 员能够更好地理解本发明，但不对本发明作任何限制。

实施例1

一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的方法，包括如下步骤：

(1)称取2.41g三氯化钛溶液(质量分数为20％，内含3％盐酸)，加入到48mL蒸馏 水中，搅拌，得到澄清溶液；

(2)将步骤(1)所得的澄清溶液转移至100mL聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，以5 ℃/min的速率从室温升至180℃，并在该温度下保持10h；

(3)待步骤(2)所得悬浮液冷却至室温后，在4200r/min的转速下离心10min，然后 用蒸馏水水洗，重复三次，将所得固体置于真空干燥箱中100℃下干燥10h，即得产品P1。

实施例2

一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的方法，包括如下步骤：

(1)称取3.86g三氯化钛溶液(质量分数为20％，内含3％盐酸)，加入到76mL蒸馏 水中，搅拌，得到澄清溶液；

(2)向步骤(1)中加入0.044g抗坏血酸，抗坏血酸与三氯化钛摩尔比为0.05，在常温 常压下，持续搅拌10min，得到澄清溶液；

(3)将步骤(2)获得的澄清溶液转移至100mL聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，以5 ℃/min的速率从室温升至180℃，并在该温度下保持10h；

(4)待步骤(3)所得悬浮液冷却至室温后，在4200r/min的转速下离心10min，然后 用蒸馏水水洗，重复三次，将所得固体置于真空干燥箱中100℃下干燥10h，即得产品P2。

实施例3

一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的方法，包括如下步骤：

(1)称取3.86g三氯化钛溶液(质量分数为20％，内含3％盐酸)，加入到76mL蒸馏 水中，搅拌，得到澄清溶液；

(2)向步骤(1)中加入0.11g抗坏血酸，抗坏血酸与三氯化钛摩尔比为0.125，在常温 常压下，持续搅拌10min，得到澄清溶液；

(3)将步骤(2)获得的澄清溶液转移至100mL聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，以5 ℃/min的速率从室温升至180℃，并在该温度下保持10h；

(4)待步骤(3)所得悬浮液冷却至室温后，在4200r/min的转速下离心10min，然后 用蒸馏水水洗，重复三次，将所得固体置于真空干燥箱中100℃下干燥10h，即得产品P3。

实施例4

一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的方法，包括如下步骤：

(1)称取3.86g三氯化钛溶液(质量分数为20％，内含3％盐酸)，加入到76mL蒸馏 水中，搅拌，得到澄清溶液；

(2)向步骤(1)中加入0.22g抗坏血酸，抗坏血酸与三氯化钛摩尔比为0.25，在常温 常压下，持续搅拌10min，得到澄清溶液；

(3)将步骤(2)获得的澄清溶液转移至100mL聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，以5 ℃/min的速率从室温升至180℃，并在该温度下保持10h；

(4)待步骤(3)所得悬浮液冷却至室温后，在4200r/min的转速下离心10min，然后 用蒸馏水水洗，重复三次，将所得固体置于真空干燥箱中100℃下干燥10h，即得产品P4。

实施例5

一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的方法，包括如下步骤：

(1)称取3.86g三氯化钛溶液(质量分数为20％，内含3％盐酸)，加入到76mL蒸馏 水中，搅拌，得到澄清溶液；

(2)向步骤(1)中加入0.44g抗坏血酸，抗坏血酸与三氯化钛摩尔比为0.5，在常温常 压下，持续搅拌10min，得到澄清溶液；

(3)将步骤(2)获得的澄清溶液转移至100mL聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，以5 ℃/min的速率从室温升至180℃，并在该温度下保持10h；

(4)待步骤(3)所得悬浮液冷却至室温后，在4200r/min的转速下离心10min，然后 用蒸馏水水洗，重复三次，将所得固体置于真空干燥箱中100℃下干燥10h，即得产品P5。

本发明涉及一种一步合成混相和暴露高活性面二氧化钛的技术方法。没有添加抗坏血酸 的体系生成棒状或颗粒状的混相二氧化钛，随着抗坏血酸含量的增加，锐钛矿的比例迅速增 加。当抗坏血酸与三氯化钛的摩尔比为0.05时，生成截头四方双锥形貌的二氧化钛颗粒最多 [此结构具有较多的{001}活性面]，{001}活性面的比表面积可占到总比表面的18.4％；当抗坏 血酸与三氯化钛的摩尔比为0.125时，{001}活性面的比表面积可占到总比表面的8.8％；而当 抗坏血酸与三氯化钛摩尔比为0.5时，最终生成的二氧化钛颗粒为蠕虫状，此时没有{001}活 性面。本发明方法只需加入抗坏血酸就可实现合成暴露高活性面二氧化钛，操作简单安全、 无毒无害、易控制，这大大降低了暴露高活性面二氧化钛的生产成本，是一种经济实用的绿 色环保技术。

附图说明

图1.TiO₂样品的XRD表征图谱：(a)P1，(b)P2，(c)P3，(d)P4和(e)P5(A：锐钛矿，R：金 红石，B：板钛矿)。

图2.TiO₂样品的SEM表征图谱：(a)P1，(b)P2，(c)P3和(d)P5。

图3.TiO₂样品的TEM表征图谱：(a-c)P1，(d，e)P2，(f，g)P3和(h)P5。