一种高活性TiO2纳米盘光催化剂的合成方法

摘要

本发明提供一种高活性TiO2纳米盘光催化剂的合成方法，该方法简单易行，可重复性好，稳定性好，制备的{001}面暴露的TiO2纳米盘光催化剂结构新颖，光催化活性高。该方法的具体步骤如下：1)将水与冰醋酸、氢氟酸混合；2)加入钛酸四丁酯后机械搅拌10min；3)将上述溶液放入反应釜180℃水热24h；4)分离沉淀，将沉淀用水离心洗涤3次，60℃干燥，600℃煅烧2h；自然冷却至室温。其中，钛酸四丁酯、水、冰醋酸与HF的摩尔比为1:（50-100）:100:2。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种新型催化剂，具体为一种高活性TiO₂纳米盘光催化剂的合成方法，属催化剂技术领域。

背景技术: 

1972年日本科学家Fujishima等发现TiO₂单晶电级可以实现光催化分解水，后来又发现纳米TiO₂具有光催化降解有机物的能力，TiO₂成为材料领域的研究热点。其独特的物理和化学性质不仅受到晶体内在的电子结构，而且受大小、形状和表面特性的影响。锐钛矿TiO₂相比其它两种晶型，在光催化反应过程中具有更高的活性，因而被广泛研究。一般来说，平衡状态下晶体生长总是高能量晶面迅速减少，从而自发演变成具有特定形状与暴露面以最大限度地减少总表面自由能的晶体。因此，通常最容易获得的锐钛矿TiO₂是热力学稳定的{101}面占主导，多数合成出的锐钛矿TiO₂很难暴露出{001}晶面。

2008年Yang等人采用F作为强键合能力元素来降低{001}面的晶面能从而制备出了大量暴露{001}面的锐钛型TiO₂单晶。这项工作随后引发了在晶面控制方面的大量研究，半导体晶面工程已成为优化了光催化剂活性、选择性等理化性质的重要策略。TiO₂的高能面的暴露显著提高其吸附、电化学和光催化等性能，使这种材料在环境和能源相关领域有了更广泛的应用。高能面的暴露比例的控制是具有极大挑战性的工作。此外，晶体的形貌尺寸对其理化性质有较大的影响，因而形貌可控颗粒的制备也是科学家们在努力的一个方向。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种高活性TiO₂纳米盘光催化剂的合成方法，该方法简单易行，可重复性好，稳定性好，制备的{001}面暴露的TiO₂纳米盘光催化剂结构新颖，光催化活性高。

本发明的具体技术方案如下： 

一种高活性TiO₂纳米盘光催化剂的合成方法：

1) 将水与冰醋酸、氢氟酸混合；

2) 加入钛酸四丁酯后机械搅拌10min；

3) 将上述溶液放入反应釜180℃水热24h；

4) 分离沉淀，将沉淀用水离心洗涤3次，60℃干燥，600℃煅烧2h；自然冷却至室温。

其中，钛酸四丁酯、水、冰醋酸与HF的摩尔比为1:（50-100）:100:2。 

其中，钛酸四丁酯、水、冰醋酸与HF的摩尔比优选为1:70:100:2。 

所用氢氟酸指体积浓度为40%的氢氟酸溶液，HF指氢氟酸中所含氟化氢的量，冰醋酸体积浓度为99.5%冰醋酸溶液。 

调节溶液PH以抑制钛酯水解的物质是冰醋酸，HF影响晶面的生长，控制晶体形貌。 

反应温度为180℃，是在水热条件下进行的。 

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

本发明制备的{001}面暴露的TiO₂纳米盘（直径600nm,厚度100nm）光催化剂，具有新颖的晶体形貌，将传统的以水为溶剂替换为以冰醋酸为溶剂，有效控制钛酸四丁酯的水解，加入钛酸四丁酯后搅拌均匀，水热24h即可。 

本发明制备的{001}面暴露的TiO₂纳米盘光催化剂，制备方法简单，制备过程简单易行，光催化活性高，通过简单调节投料比能实现在宽尺寸（长度600nm-3μm，厚度100-200nm）范围内对TiO₂纳米盘的调控。随着水的比例减少，盘的宽度与厚度均增加。所制备的样品活性均比商品二氧化钛（P25）的光催化活性高，典型样品具有高效的光催化性能，其降解罗丹明B的光催化活性是商品二氧化钛的7倍左右。 

附图说明　 

图1 是实施例一制备的TiO₂纳米盘（长度600nm，厚度200nm）光催化剂的电镜图。

图2 是实施例二制备的TiO₂纳米盘（长度3μm，厚度100nm）光催化剂的电镜图。 

由图1、图2可以看出实现了在宽尺寸范围内对TiO₂纳米盘的调控。 

图3是实施例一的X-射线衍射图。 

图4是实施例一的选区电子衍射图（C）、晶格条纹图（D）。 

图5是商品二氧化钛（P25）与实施例一和实施例二在相同条件下降解罗丹明B的对比活性图。 

具体实施方式

实施例一：

取6g水，加入0.5g质量分数为40%的氢氟酸和30.03g冰醋酸，再加入1.71g的钛酸四丁酯（Ti:H₂O摩尔比=1:70），搅拌均匀后放入反应釜180℃水热24h，分离沉淀，将沉淀用水离心洗涤3次，60℃干燥，600℃煅烧2h；自然冷却至室温即得高活性TiO₂纳米盘光催化剂。

实施例二：

取4.2g水，加入0.5g质量分数为40%的氢氟酸和30.03g冰醋酸，再加入1.71g的钛酸四丁酯（Ti:H₂O摩尔比=1:50），搅拌均匀后放入反应釜180℃水热24h，分离沉淀，将沉淀用水离心洗涤3次，60℃干燥，600℃煅烧2h；自然冷却至室温即得高活性TiO₂纳米盘光催化剂。

实施例三：

取8.7g水，加入0.5g质量分数为40%的氢氟酸和30.03g冰醋酸，再加入1.71g的钛酸四丁酯（Ti:H₂O摩尔比=1:50），搅拌均匀后放入反应釜180℃水热24h，分离沉淀，将沉淀用水离心洗涤3次，60℃干燥，600℃煅烧2h；自然冷却至室温即得高活性TiO₂纳米盘光催化剂。

测试实例一：

实施例一制备的样品的结构通过加速电压为200KV的高倍透射电子显微镜测试。

图4是实施例一制备的TiO₂纳米盘的选区电子衍射图（C）、晶格条纹图（D）。 

由图分析可知制得的TiO₂纳米盘盘面为{001}面，侧面是{101}面。 

测试实例二：

实施例一制备的样品的相组成由X射线衍射仪测定，操作电压40KV,电流50mA，扫描角度范围为10-80^o，扫描速度为每分钟5^o。

图3是实施例一制备的TiO₂纳米盘的X-射线衍射图。 

由图分析可知制得的TiO₂纳米盘是纯相的锐钛矿型TiO₂单晶。 

测试实例三：

实施例一、二制备的样品的光催化活性是由降解罗丹明B（RhB）来测试的。分别取200ml的RhB溶液三份，分别加入0.1g实施例一、二制备的催化剂、商品二氧化钛（P25），先在暗处搅拌1小时使之达到吸附平衡，然后用波长小于420nm的紫外光的氙灯（300W）照射，每隔10分钟用紫外可见分光光度计（波长设为550nm）测一次吸光度。

图5是商品二氧化钛（P25）、实施例一制备的TiO₂纳米盘（A）和实施例二制备的TiO₂纳米盘（B）在相同条件下降解罗丹明B的活性图。 

由图分析可知本发明制得的TiO₂纳米盘活性均比P25活性好很多。