專利名稱：一種具有(001)面外表面的花狀TiO₂納米材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二氧化鈦材料及其制備方法，特別涉及一種具有(001)面外表面的花 狀TiO2納米材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
二氧化鈦是一種安全無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低廉的半導(dǎo)體氧化物，在光催化、 污水處理和太陽能電池等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。二氧化鈦的應(yīng)用與其形貌，晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)有著密切的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)銳鈦 礦二氧化鈦的(001)面具有良好的化學(xué)活性，但(001)面的表面能較高，為0.90J/m2，而具 有最低表面能的(101)面的表面能僅為0.44J/m2，所以通常制備得到的二氧化鈦都顯示出 (101)面的晶面取向，以至于較難制備出具有(001)面外表面的二氧化鈦。文獻(xiàn)[Nature，2008，453，638]以四氟化鈦為原料，第一次制備出具有較大(001) 面面積的銳鈦礦 TiO2 單晶。隨后，文獻(xiàn)[Journal of the American Chemical Society, 2009,131,4078], [Journal of the American Chemical Society,2009,131,3152], [Nano Letters,2009,9,2455], [Chemistry of Materials,2009,21,2601], [Chemical Communications, 2009,4381]等以四氟化鈦、四氯化鈦、鈦酸四丁酯、四異丙醇鈦等作為原 料，制備出具有(001)面外表面的TiO2單晶。但這些方法使用的原料都具有較高的水解 性。最近，文獻(xiàn)[Journal of the American Chemical Society, 2009,131,12868]采用采 用固體氮化鈦直接與HF酸進行反應(yīng)，[Chemical Communications，2010，46，1664]，以及專 利[CN 101660203A]等采用固體金屬鈦粉，與HF酸和H2O2的混合溶液進行反應(yīng)，制備了具 有(001)面外表面的TiO2單晶。在這些方法中，制備得到的產(chǎn)物均為由兩個截去頂角的金 字塔倒扣在一起組成的十面體結(jié)構(gòu)，而最近研究發(fā)現(xiàn)，具有分層結(jié)構(gòu)的納米材料由于其結(jié) 構(gòu)的獨特性，為開發(fā)材料的新性能提供了重要的途徑，但目前具有(001)面的花狀1102納 米材料至今仍未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有(001)面外表面的TiO2納米材料及其制備方法。 本制備方法成本低廉，過程簡單、可控，反應(yīng)溫和，充分利用反應(yīng)原料，不會產(chǎn)生有害氣體， 對人體無害。本發(fā)明TiO2納米材料的直徑為IOOnm 500nm，具有花狀結(jié)構(gòu)，由多個頂面為 (001)面的截頂角金字塔狀TiO2納米晶體組成。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明方法的包括以下步驟(1)量取0. 05 IOml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸，與5 80ml去離子水混合；(2)稱量0. Olg Ig金屬Ti粉，投入到步驟⑴所得的溶液中，攪拌10分鐘后；投入到有聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應(yīng)釜中，在100°C 200°C下反應(yīng)1 40h ；(3)反應(yīng)完畢后，步驟(2)的反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水沖洗，直至所述的反應(yīng)產(chǎn)物的PH 值達(dá)到7左右；然后將所述的反應(yīng)產(chǎn)物置于50 100°C的烘箱中烘烤5-24小時，烘干后便 制得具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料。至此本發(fā)明具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料制備完畢。


圖Ia為本發(fā)明之實施例1所制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料掃 描電子顯微鏡圖；圖Ib為本發(fā)明之實施例1所制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納 米材料的X射線衍射圖；圖2a為本發(fā)明之實施例1所制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料的 低倍透射電子顯微鏡圖；圖2b為本發(fā)明之實施例1所制得的具有(001)面外表面的花狀 TiO2納米材料的頂面高倍透射電子顯微鏡圖，插圖為其對應(yīng)的快速傅里葉轉(zhuǎn)換圖；圖2c為 本發(fā)明之實施例1所制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料的側(cè)面高倍透射電子 顯微鏡圖；插圖為其對應(yīng)的快速傅里葉轉(zhuǎn)換圖，圖中(001)面和(101)面之間的夾角平均為 68. 3士0.3° ；圖2d為本發(fā)明之實施例1所制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材 料的示意圖；圖3為本發(fā)明之實施例3所制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料的 掃描電子顯微鏡圖；圖4為本發(fā)明之實施例5所制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料的 掃描電子顯微鏡圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。實施例1稱量鈦粉0. 1克，投入到40ml去離子水和0. 25ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸溶液 中，攪拌10分鐘，然后在聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應(yīng)釜中160°C下反應(yīng)10小時；反應(yīng)完畢 后，將反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水沖洗多次，直至PH值達(dá)到7 ；最后將反應(yīng)產(chǎn)物置于80°C的烘箱中 烘烤10小時，將反應(yīng)產(chǎn)物烘干。本實施例所得到的產(chǎn)物為具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料。圖1所示為本實施例制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料的掃描 電鏡圖和X射線衍射圖；圖Ia中掃描電鏡圖可以看出，制得的花狀TiO2納米材料直徑為 IOOnm 500nm，由截頂角的金字塔狀TiO2納米晶組成；圖Ib中X射線衍射圖，可以看出， 制備得到的花狀TiO2納米材料具有良好的銳鈦礦結(jié)構(gòu)，且(101)和(004)的衍射峰，成為 了花狀TiO2納米材料的主要衍射峰，說明其外表面以(101)面和(001)面為主；圖2所示 為本實施例制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料的透射電鏡圖和示意圖，圖2a 為花狀TiO2納米材料的低倍透射電鏡圖；圖2b為花狀TiO2納米材料頂部的高倍透射顯微 鏡圖，從圖中可以看出，截頂角金字塔狀TiO2納米晶頂面的晶面互相垂直，且具有0. 189nm 的晶面間距，這與銳鈦礦的(020)和(200)面的晶面間距相一致，其中插圖的快速傅里葉轉(zhuǎn)換圖也與之相符，證明了其頂面即為(001)面；圖2c為花狀TiO2納米材料的側(cè)面高倍透射 電子顯微鏡圖，圖中0. 237nm和0. 352nm的晶面間距分別與(002)和(101)面的晶面間距 相一致，其中具有0. 237nm晶面間距的晶面，與頂面相平行，證明了頂面為(001)面，插圖中 的快速傅里葉轉(zhuǎn)換圖中，對應(yīng)的夾角為68. 3士0.3°，與(001)面和(101)面這兩個晶面之 間的理論夾角相一致，進一步證明了所制得的花狀TiO2納米材料由多個頂面為(001)面的 截頂角金字塔狀TiO2納米晶體組成；圖2d為本實施例制得的花狀TiO2納米材料的示意圖， 圖中明顯標(biāo)出花狀TiO2納米材料的由多個頂面為(001)，側(cè)面為(101)面的截頂角金字塔 狀TiO2納米晶體組成。實施例2稱量鈦粉0. 01克，投入到5ml去離子水和0. 05ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸溶液 中，攪拌10分鐘，然后在聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應(yīng)釜中200°C下反應(yīng)1小時；反應(yīng)完畢 后，將反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水沖洗多次，直至PH值達(dá)到7 ；最后將反應(yīng)產(chǎn)物置于在10(TC的烘 箱中烘烤5小時，將反應(yīng)產(chǎn)物烘干。本實施例所得到的產(chǎn)物為具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料。實施例3稱量鈦粉1克，投入到80ml去離子水，IOml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸溶液中，攪 拌10分鐘，然后在聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應(yīng)釜中100°C下反應(yīng)40小時；反應(yīng)完畢后，將 反應(yīng)產(chǎn)物用去離水沖洗多次，直至PH值達(dá)到7 ；最后將反應(yīng)產(chǎn)物置于在50°C的烘箱中24小 時，將反應(yīng)產(chǎn)物烘干。本實施例所得到的產(chǎn)物為具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料。圖3所示為本實施例制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料的掃描電 鏡圖；從掃描電鏡圖中可以看出，制得的花狀TiO2納米材料直徑為IOOnm 500nm，由多個 頂面為(001)面的截頂角金字塔狀TiO2納米晶體組成。實施例4稱量鈦粉0. 5克，投入到60ml去離子水，5ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸溶液中，攪 拌10分鐘，然后在聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應(yīng)釜中150°C下反應(yīng)15小時；反應(yīng)完畢后，將 產(chǎn)物用去離子水沖洗多次，直至PH值達(dá)到7 ；最后將反應(yīng)產(chǎn)物置于在60°C的烘箱中烘烤15 小時，將反應(yīng)產(chǎn)物烘干。本實施例所得到的產(chǎn)物為具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料。實施例5稱量鈦粉0. 05克，投入到30ml去離子水，2ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸溶液中， 攪拌10分鐘，然后在聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應(yīng)釜中120°C下反應(yīng)20小時；反應(yīng)完畢后， 將產(chǎn)物用去離子水沖洗多次，直至PH值達(dá)到7 ；最后將反應(yīng)產(chǎn)物置于在80°C的烘箱中烘烤 15小時，將反應(yīng)產(chǎn)物烘干。本實施例所得到的產(chǎn)物為具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料。圖4所示為本實施例制得的具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料的掃描電 鏡圖；從掃描電鏡圖中可以看出，制得的花狀TiO2納米材料直徑為IOOnm 500nm，由多個 頂面為(001)面的截頂角金字塔狀TiO2納米晶體組成。
權(quán)利要求
一種具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料，其特征是所述TiO2納米材料的直徑為100nm～500nm，具有花狀結(jié)構(gòu)，所述TiO2納米材料由多個頂面為(001)面的截頂角金字塔狀TiO2納米晶體組成。
2.一種具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料的制備方法，其具體操作步驟如下(1)量取0.05 IOml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸，將所述的氫氟酸與5 80ml去離子 水混合；(2)稱量0.Olg Ig金屬Ti粉，投入到步驟(1)所得的溶液中，攪拌10分鐘后，投入 到有聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應(yīng)釜中，在100°C 200°C下反應(yīng)1 40h ；(3)反應(yīng)完畢后，將步驟(2)的反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水沖洗，直至所述反應(yīng)產(chǎn)物的PH值達(dá) 到7，然后將所述的反應(yīng)產(chǎn)物置于50 100°C的烘箱中烘烤5-24小時，烘干后便制得具有 (001)面外表面的花狀TiO2納米材料。
全文摘要
一種具有(001)面外表面的花狀TiO2納米材料及其制備方法。所述TiO2納米材料直徑為100nm～500nm，具有花狀結(jié)構(gòu)，由許多頂面為(001)面的截頂角金字塔狀TiO2納米晶體組成。制備所述具有(001)面外表面的TiO2納米材料的方法為以鈦粉為原料，與稀氫氟酸溶液在100-200℃下進行水熱反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物洗滌至pH值達(dá)到7；然后將產(chǎn)物在烘箱中烘干。
文檔編號C01G23/047GK101880056SQ201010231429
公開日2010年11月10日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者劉敏, 王文靜 申請人:中國科學(xué)院電工研究所