专利名称：一种具有(001)面外表面的花状TiO<sub>2</sub>纳米材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及二氧化钛材料及其制备方法，特别涉及一种具有(001)面外表面的花 状TiO2纳米材料及其制备方法。
背景技术：
二氧化钛是一种安全无毒、化学性质稳定、成本低廉的半导体氧化物，在光催化、 污水处理和太阳能电池等领域有着广泛的应用。二氧化钛的应用与其形貌，晶体结构和表面性质有着密切的联系。研究发现锐钛 矿二氧化钛的(001)面具有良好的化学活性，但(001)面的表面能较高，为0.90J/m2，而具 有最低表面能的(101)面的表面能仅为0.44J/m2，所以通常制备得到的二氧化钛都显示出 (101)面的晶面取向，以至于较难制备出具有(001)面外表面的二氧化钛。文献[Nature，2008，453，638]以四氟化钛为原料，第一次制备出具有较大(001) 面面积的锐钛矿 TiO2 单晶。随后，文献[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]等以四氟化钛、四氯化钛、钛酸四丁酯、四异丙醇钛等作为原 料，制备出具有(001)面外表面的TiO2单晶。但这些方法使用的原料都具有较高的水解 性。最近，文献[Journal of the American Chemical Society, 2009,131,12868]采用采 用固体氮化钛直接与HF酸进行反应，[Chemical Communications，2010，46，1664]，以及专 利[CN 101660203A]等采用固体金属钛粉，与HF酸和H2O2的混合溶液进行反应，制备了具 有(001)面外表面的TiO2单晶。在这些方法中，制备得到的产物均为由两个截去顶角的金 字塔倒扣在一起组成的十面体结构，而最近研究发现，具有分层结构的纳米材料由于其结 构的独特性，为开发材料的新性能提供了重要的途径，但目前具有(001)面的花状1102纳 米材料至今仍未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有(001)面外表面的TiO2纳米材料及其制备方法。 本制备方法成本低廉，过程简单、可控，反应温和，充分利用反应原料，不会产生有害气体， 对人体无害。本发明TiO2纳米材料的直径为IOOnm 500nm，具有花状结构，由多个顶面为 (001)面的截顶角金字塔状TiO2纳米晶体组成。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。本发明方法的包括以下步骤(1)量取0. 05 IOml质量分数为40%的氢氟酸，与5 80ml去离子水混合；(2)称量0. Olg Ig金属Ti粉，投入到步骤⑴所得的溶液中，搅拌10分钟后；投入到有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在100°C 200°C下反应1 40h ；(3)反应完毕后，步骤(2)的反应产物用去离子水冲洗，直至所述的反应产物的PH 值达到7左右；然后将所述的反应产物置于50 100°C的烘箱中烘烤5-24小时，烘干后便 制得具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料。至此本发明具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料制备完毕。
图Ia为本发明之实施例1所制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料扫 描电子显微镜图；图Ib为本发明之实施例1所制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳 米材料的X射线衍射图；图2a为本发明之实施例1所制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料的 低倍透射电子显微镜图；图2b为本发明之实施例1所制得的具有(001)面外表面的花状 TiO2纳米材料的顶面高倍透射电子显微镜图，插图为其对应的快速傅里叶转换图；图2c为 本发明之实施例1所制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料的侧面高倍透射电子 显微镜图；插图为其对应的快速傅里叶转换图，图中(001)面和(101)面之间的夹角平均为 68. 3士0.3° ；图2d为本发明之实施例1所制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材 料的示意图；图3为本发明之实施例3所制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料的 扫描电子显微镜图；图4为本发明之实施例5所制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料的 扫描电子显微镜图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。实施例1称量钛粉0. 1克，投入到40ml去离子水和0. 25ml质量分数为40%的氢氟酸溶液 中，搅拌10分钟，然后在聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中160°C下反应10小时；反应完毕 后，将反应产物用去离子水冲洗多次，直至PH值达到7 ；最后将反应产物置于80°C的烘箱中 烘烤10小时，将反应产物烘干。本实施例所得到的产物为具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料。图1所示为本实施例制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料的扫描 电镜图和X射线衍射图；图Ia中扫描电镜图可以看出，制得的花状TiO2纳米材料直径为 IOOnm 500nm，由截顶角的金字塔状TiO2纳米晶组成；图Ib中X射线衍射图，可以看出， 制备得到的花状TiO2纳米材料具有良好的锐钛矿结构，且(101)和(004)的衍射峰，成为 了花状TiO2纳米材料的主要衍射峰，说明其外表面以(101)面和(001)面为主；图2所示 为本实施例制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料的透射电镜图和示意图，图2a 为花状TiO2纳米材料的低倍透射电镜图；图2b为花状TiO2纳米材料顶部的高倍透射显微 镜图，从图中可以看出，截顶角金字塔状TiO2纳米晶顶面的晶面互相垂直，且具有0. 189nm 的晶面间距，这与锐钛矿的(020)和(200)面的晶面间距相一致，其中插图的快速傅里叶转换图也与之相符，证明了其顶面即为(001)面；图2c为花状TiO2纳米材料的侧面高倍透射 电子显微镜图，图中0. 237nm和0. 352nm的晶面间距分别与(002)和(101)面的晶面间距 相一致，其中具有0. 237nm晶面间距的晶面，与顶面相平行，证明了顶面为(001)面，插图中 的快速傅里叶转换图中，对应的夹角为68. 3士0.3°，与(001)面和(101)面这两个晶面之 间的理论夹角相一致，进一步证明了所制得的花状TiO2纳米材料由多个顶面为(001)面的 截顶角金字塔状TiO2纳米晶体组成；图2d为本实施例制得的花状TiO2纳米材料的示意图， 图中明显标出花状TiO2纳米材料的由多个顶面为(001)，侧面为(101)面的截顶角金字塔 状TiO2纳米晶体组成。实施例2称量钛粉0. 01克，投入到5ml去离子水和0. 05ml质量分数为40%的氢氟酸溶液 中，搅拌10分钟，然后在聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中200°C下反应1小时；反应完毕 后，将反应产物用去离子水冲洗多次，直至PH值达到7 ；最后将反应产物置于在10(TC的烘 箱中烘烤5小时，将反应产物烘干。本实施例所得到的产物为具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料。实施例3称量钛粉1克，投入到80ml去离子水，IOml质量分数为40%的氢氟酸溶液中，搅 拌10分钟，然后在聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中100°C下反应40小时；反应完毕后，将 反应产物用去离水冲洗多次，直至PH值达到7 ；最后将反应产物置于在50°C的烘箱中24小 时，将反应产物烘干。本实施例所得到的产物为具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料。图3所示为本实施例制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料的扫描电 镜图；从扫描电镜图中可以看出，制得的花状TiO2纳米材料直径为IOOnm 500nm，由多个 顶面为(001)面的截顶角金字塔状TiO2纳米晶体组成。实施例4称量钛粉0. 5克，投入到60ml去离子水，5ml质量分数为40%的氢氟酸溶液中，搅 拌10分钟，然后在聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中150°C下反应15小时；反应完毕后，将 产物用去离子水冲洗多次，直至PH值达到7 ；最后将反应产物置于在60°C的烘箱中烘烤15 小时，将反应产物烘干。本实施例所得到的产物为具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料。实施例5称量钛粉0. 05克，投入到30ml去离子水，2ml质量分数为40%的氢氟酸溶液中， 搅拌10分钟，然后在聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中120°C下反应20小时；反应完毕后， 将产物用去离子水冲洗多次，直至PH值达到7 ；最后将反应产物置于在80°C的烘箱中烘烤 15小时，将反应产物烘干。本实施例所得到的产物为具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料。图4所示为本实施例制得的具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料的扫描电 镜图；从扫描电镜图中可以看出，制得的花状TiO2纳米材料直径为IOOnm 500nm，由多个 顶面为(001)面的截顶角金字塔状TiO2纳米晶体组成。
权利要求
一种具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料，其特征是所述TiO2纳米材料的直径为100nm～500nm，具有花状结构，所述TiO2纳米材料由多个顶面为(001)面的截顶角金字塔状TiO2纳米晶体组成。
2.一种具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料的制备方法，其具体操作步骤如下(1)量取0.05 IOml质量分数为40%的氢氟酸，将所述的氢氟酸与5 80ml去离子 水混合；(2)称量0.Olg Ig金属Ti粉，投入到步骤(1)所得的溶液中，搅拌10分钟后，投入 到有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在100°C 200°C下反应1 40h ；(3)反应完毕后，将步骤(2)的反应产物用去离子水冲洗，直至所述反应产物的PH值达 到7，然后将所述的反应产物置于50 100°C的烘箱中烘烤5-24小时，烘干后便制得具有 (001)面外表面的花状TiO2纳米材料。
全文摘要
一种具有(001)面外表面的花状TiO2纳米材料及其制备方法。所述TiO2纳米材料直径为100nm～500nm，具有花状结构，由许多顶面为(001)面的截顶角金字塔状TiO2纳米晶体组成。制备所述具有(001)面外表面的TiO2纳米材料的方法为以钛粉为原料，与稀氢氟酸溶液在100-200℃下进行水热反应；反应结束后，将产物洗涤至pH值达到7；然后将产物在烘箱中烘干。
文档编号C01G23/047GK101880056SQ201010231429
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者刘敏, 王文静 申请人:中国科学院电工研究所