本发明属于无机非金属及光催化材料制备领域,涉及一种二维tio2超薄纳米片及其制备方法。
背景技术:
tio2作为最重要的氧化物半导体之一,已经被广泛的研究并且在能源和环境领域得到了很多应用。其中,光降解有机染料、光分解水制氢等光催化性能与tio2的暴露晶面密切相关。其中锐钛矿tio2中(001)和(101)晶面在选择性分离光生载流子中起到了重要作用,这对光催化的影响是很大的。现阶段为了制备高(001)晶面暴露率的tio2所面临的问题可分为两个方面:一是不规则形貌问题,另一个是纳米片聚集问题。在本发明的制备方法中引入乙二醇作为修饰剂,期望通过hf和乙二醇的协同作用,使得(001)晶面的暴露率提高的同时,增强其分散性,从而提高其光催化性能。
技术实现要素:
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种二维tio2超薄纳米片及其制备方法,该方法采用水热法实现二维tio2超薄纳米片的合成,获得的tio2纳米片厚度范围约为2~20nm,横向尺寸约为200nm,(001)面暴露率约为97%,分散性好,产氢速率最高达到19.24mmolh-1g-1,根据现有资料及文献分析,该数据超过了现阶段所有tio2及tio2基光催化剂的光催化产氢速率。并且可以通过对乙二醇及hf用量比例的调节来达到对纳米片厚度的调控。
本发明提供一种二维tio2超薄纳米片的制备方法,制备方法包括以下步骤:
将tbot(钛酸四正丁酯)和hf混合,加入乙二醇,室温搅拌混合均匀;在180℃的条件下水热反应16h;所得产物用去离子水和无水乙醇清洗后,置于烘箱中烘干,获得二维tio2超薄纳米片。
上述技术方案中,优选的,所述的tbot和hf的摩尔比为1:8。
优选的,所述的乙二醇和hf的摩尔比为1:1。
所用的原料钛酸四正丁酯、氢氟酸以及乙二醇的纯度均不低于化学纯。
所述的搅拌过程在室温下进行,且搅拌时长以60min为最佳。
采用本发明方法制备获得的tio2纳米片为具有规则的矩形形貌,横向尺寸约为200nm,厚度范围约为2~20nm,且薄片具有良好的光催化产氢效率。且本发明通过大量研究发现,乙二醇与f-之间存在协同作用,通过调控乙二醇与hf的用量比例,可以实现对产物厚度及(001)面暴露率的调控,从而实现对光催化产氢效率的调节。
附图说明
图1是实例1制备的二维tio2超薄纳米片的x射线衍射(xrd)图谱;
图2是实例1制备的二维tio2超薄纳米片的扫描电子显微镜(sem)照片;
图3是实例1,2制备的二维tio2超薄纳米片的透射电子显微镜(tem)照片下的厚度统计图;
图4是实例3制备的二维tio2超薄纳米片的扫描电子显微镜(sem)照片;
图5是实例1制备的二维tio2超薄纳米片的光催化产氢速率图。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
实施例1
1)分别称取钛酸四正丁酯10g和氢氟酸4.5ml置于反应釜中,2)称量15ml乙二醇溶液,与步骤1)所得溶液混合,磁力搅拌60min;
3)将反应釜拧紧,置于马弗炉中加热180℃保温16h;
4)将步骤3)所得溶液的沉淀物分别用去离子水以及无水乙醇清洗3次,最终得到的沉淀物置于马弗炉加热至70℃保温6h烘干,即可得最终产物。所合成的材料xrd分析图如图1,sem照片如图2,纳米片的tem图如图3(a),光催化产氢速率图如图5。
可以看出:该水热反应产物为锐钛矿tio2,纳米片厚度约为2~3nm,横向尺寸约为200nm,其光催化产氢效率可达到19.24mmolh-1g-1。
实施例2
1)分别称取钛酸四正丁酯10g和氢氟酸4.5ml置于反应釜中;
2)称量10ml乙二醇溶液,与步骤1)所得溶液混合,磁力搅拌60min;
3)将反应釜拧紧,置于马弗炉中加热180℃保温16h;
4)将步骤3)所得溶液的沉淀物分别用去离子水以及无水乙醇清洗3次,最终得到的沉淀物置于马弗炉加热至70℃保温6h烘干,即可得最终产物。其纳米片的tem图如图3(b),可以看出:产物呈纳米片状,厚度约为20nm,横向尺寸约为50nm。
实施例3
1)分别称取钛酸四正丁酯10g和氢氟酸4.5ml置于反应釜中;
2)称量20ml乙二醇溶液,与步骤1)所得溶液混合,磁力搅拌60min;
3)将反应釜拧紧,置于马弗炉中加热180℃保温16h;
4)将步骤3)所得溶液的沉淀物分别用去离子水以及无水乙醇清洗3次,最终得到的沉淀物置于马弗炉加热至70℃保温6h烘干,即可得最终产物。其纳米片的sem图如图4,可以看出:产物已难以维持片状形貌。
研究表明,乙二醇的用量对最终产物的形貌及性能起到至关重要的作用,以上述实施例为例,其余条件不变,当乙二醇的用量低于5ml或高于20ml时,获得的tio2将难以维持规则矩形片状,其(001)面暴露率也相应急剧减小。其原因可能为乙二醇与f-之间存在协同作用,乙二醇分子在(001)面上与f-之间的结合使得光催化过程中氧化还原的位点增加,并且增强了(001)面的稳定性,故(001)面暴露率增大,从而提高了光催化产氢反应效率。