CN101767820A - 多刻面球状微纳结构二氧化钛及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的多刻面球状微纳结构二氧化钛由边长150～350纳米的立方体团簇成直径1.5～2.5微米的球体。采用金属钛粉或金属钛板和氟化氢水溶液直接180℃水热反应制备，制备方法简便易行，不需要模板剂和催化剂，不需后续热处理。制得的多刻面球状微纳结构二氧化钛晶型为锐钛矿，结晶良好，结构新颖，尺寸规整，可广泛应用于光催化、气体传感器、薄膜太阳能电池等领域。

Description

多刻面球状微纳结构二氧化钛及其制备方法
技术领域
本发明公开一种多刻面球状微纳结构二氧化钛及其制备方法，属纳米材料技术领域。
背景技术
二氧化钛在光催化、光电催化、气体传感器、薄膜太阳能电池、锂离子电池和电致变色等众多领域有着广泛的潜在应用。二氧化钛的晶型、比表面积和和形貌是决定其光催化效率等性能的关键因素。例如，锐钛矿结构二氧化钛较金红石型、板钛矿型等其他晶型的二氧化钛具有更加优异的光催化性能；尤其是(001)晶面，对催化效果起着举足轻重的作用。后续的热处理过程会引起晶粒长大，比表面积减少，催化剂表面的活性基团损失，从而导致催化效率的降低。另一方面，不同的纳米形态不但影响比表面积及表面状态，对光生电子空穴对的分离输运等特性也有重要影响。迄今，研究者已制备出纳米管、纳米线、纳米棒、纳米花、空心纳米球等多种形态的二氧化钛，这些形态各异的纳米结构都表现出了各自不同的优异的物理化学及光电性能。因此，具有大比表面积、结晶良好的新型结构二氧化钛的低温制备，具有重要的科学意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种多刻面球状微纳结构二氧化钛及其制备方法。
本发明的多刻面球状微纳结构二氧化钛，由边长150～350纳米的立方体团簇成直径1.5～2.5微米的球体。
多刻面球状微纳结构二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：
1)将质量浓度为50～55％的氢氟酸、质量浓度为65～68％的硝酸与去离子水按体积比1∶3∶6混合，得酸洗液；
2)配制质量浓度为0.04～0.08％的氟化氢水溶液，置入聚四氟乙烯水热罐中，氟化氢水溶液与水热罐的体积比为4∶5；
3)按每升氟化氢水溶液中加入金属钛粉0.25～1克，将金属钛粉放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应2～24小时，用去离子水清洗，干燥，得到多刻面球状微纳结构二氧化钛；或将金属钛板用步骤1)的酸洗液酸洗后，再用去离子水超声波清洗干净，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应2～24小时，用去离子水清洗，干燥，得到附着在金属钛板上的多刻面球状微纳结构二氧化钛。
本发明采用金属钛粉或金属钛板和氟化氢水溶液直接反应的方法简便易行，不需要模板剂和催化剂，不需后续热处理。制得的多刻面球状微纳结构二氧化钛晶型为锐钛矿，结晶良好，结构新颖，尺寸规整，可广泛应用于光催化、气体传感器、薄膜太阳能电池等领域。
附图说明
图1为实施例1制备的多刻面球状微纳结构二氧化钛粉末场发射扫描电子显微镜照片；
图2为实施例2制备的多刻面球状微纳结构二氧化钛粉末场发射扫描电子显微镜照片；
图3为实施例3制备的多刻面球状微纳结构二氧化钛粉末场发射扫描电子显微镜照片；
图4为实施例4制备的表面覆盖多刻面球状微纳结构二氧化钛的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；
图5为实施例5制备的表面覆盖多刻面球状微纳结构二氧化钛的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；
图6为实施例6制备的表面覆盖多刻面球状微纳结构二氧化钛的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；
图7为实施例6制备的表面覆盖多刻面球状微纳结构二氧化钛的钛片的X射线衍射图；
图8为实施例7制备的表面覆盖多刻面球状微纳结构二氧化钛的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；
图9为实施例8制备的表面覆盖多刻面球状微纳结构二氧化钛的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；
图10为实施例8制备的表面覆盖多刻面球状微纳结构二氧化钛的钛片的X射线衍射图；
图11为实施例9制备的表面覆盖多刻面球状微纳结构二氧化钛的钛片的场发射扫描电子显微镜照片；
图12为实施例9制备的表面覆盖多刻面球状微纳结构二氧化钛的钛片的X射线衍射图。
具体实施方式
以下结合实施例进一步阐述本发明方法。以下所说的浓度均为质量百分比浓度。
实施例1
1)配制质量浓度为0.05％的氟化氢水溶液，置入聚四氟乙烯水热罐中，氟化氢水溶液与水热罐的体积比为4∶5；
2)秤取20mg粒度约200目的金属钛粉，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应5小时，用去离子水反复冲洗3遍，干燥，得到如图1所示的多刻面球状微纳结构二氧化钛，球体的平均直径为2.0微米，组成球体的单个立方体边长为150～200纳米，且中间凹陷。
实施例2
1)同实施例1；
2)秤取40mg粒度约200目的金属钛粉，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应12小时，用去离子水反复冲洗3遍，干燥，得到如图2所示的多刻面球状微纳结构二氧化钛，球体的平均直径为1.5～2.0微米。组成球体的单个立方体边长为150～200纳米，其上分布微孔。
实施例3
1)配制质量浓度为0.08％的氟化氢水溶液，置入聚四氟乙烯水热罐中，氟化氢水溶液与水热罐的体积比为4∶5；
2)秤取10mg粒度约200目的金属钛粉，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应24小时，用去离子水反复冲洗3遍，干燥，得到如图3所示的多刻面球状微纳结构二氧化钛，球体的平均直径为1.5～2.0微米。组成球体的单个立方体边长为150～200纳米，多数立方体单元中间凹陷。
实施例4
1)将质量浓度为55％的氢氟酸、质量浓度为65％的硝酸与去离子水按体积比1∶3∶6混合，得酸洗液；
2)配制质量浓度为0.05％的氟化氢水溶液，置入聚四氟乙烯水热罐中，氟化氢水溶液与水热罐的体积比为4∶5；
3)将尺寸为2×2×0.01(cm3)金属钛板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应2小时，用去离子水清洗，干燥，得到如图4所示的附着在金属钛板上的多刻面球状微纳结构二氧化钛，球体直径约2～2.5微米，组成球体的单个立方体边长为150～200纳米。
实施例5
1)同实施例4。
2)配制质量浓度为0.06％的氟化氢水溶液，置入聚四氟乙烯水热罐中，氟化氢水溶液与水热罐的体积比为4∶5；
3)将尺寸为2×2×0.01(cm3)金属钛板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应3小时，用去离子水清洗，干燥，得到如图5所示的附着在金属钛板上的多刻面球状微纳结构二氧化钛，球体直径约1.5～2.0微米，组成球体的单个立方体边长为150～200纳米。
实施例6
1)1)将质量浓度为50％的氢氟酸、质量浓度为68％的硝酸与去离子水按体积比1∶3∶6混合，得酸洗液。
2)同实施例4。
3)将尺寸为2×2×0.01(cm3)金属钛板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应5小时，用去离子水清洗，干燥，得到如图6所示的附着在金属钛板上的多刻面球状微纳结构二氧化钛，球体直径约为2.0微米，组成球体的单个立方体边长约为250纳米，且中间凹陷。图7的X射线衍射结果显示多刻面球状微纳结构二氧化钛为结晶良好的锐钛矿相结构，并伴随少量金红石相。
实施例7
1)同实施例4。
2)配制质量浓度为0.07％的氟化氢水溶液，置入聚四氟乙烯水热罐中，氟化氢水溶液与水热罐的体积比为4∶5；
3)将尺寸为2×2×0.01(cm3)金属钛板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应12小时，用去离子水清洗，干燥，得到如图8所示的附着在金属钛板上的多刻面球状微纳结构二氧化钛，球体直径约为2.0微米，组成球体的单个立方体边长约为350纳米，且中间凹陷。
实施例8
1)同实施例4。
2)同实施例5。
3)将尺寸为2×2×0.01(cm3)金属钛板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应24小时，用去离子水清洗，干燥，得到如图9所示的附着在金属钛板上的多刻面球状微纳结构二氧化钛，球体直径约2.0微米，组成球体的单个立方体边长约为350纳米，且顶面有较多的腐蚀坑出现。图10的X射线衍射结果显示多刻面球状微纳结构二氧化钛为结晶良好的纯锐钛矿相结构。
实施例9
1)同实施例4。
2)配制质量浓度为0.08％的氟化氢水溶液，置入聚四氟乙烯水热罐中，氟化氢水溶液与水热罐的体积比为4∶5；
3)将尺寸为2×2×0.01(cm3)金属钛板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去离子水在超声波中清洗干净，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应24小时，用去离子水清洗，干燥，得到如图9所示的附着在金属钛板上的多刻面球状微纳结构二氧化钛，球体直径为1.5～2.0微米，组成球体的单个立方体边长约为300纳米。图12的X射线衍射结果显示多刻面球状微纳结构二氧化钛为结晶良好的纯锐钛矿相结构。

Claims (2)

1.多刻面球状微纳结构二氧化钛，其特征是由边长150～350纳米的立方体团簇成直径1.5～2.5微米的球体。
2.制备权利要求1所述的多刻面球状微纳结构二氧化钛的方法，包括以下步骤：
1)将质量浓度为50～55％的氢氟酸、质量浓度为65～68％的硝酸与去离子水按体积比1∶3∶6混合，得酸洗液；
2)配制质量浓度为0.04～0.08％的氟化氢水溶液，置入聚四氟乙烯水热罐中，氟化氢水溶液与水热罐的体积比为4∶5；
3)按每升氟化氢水溶液中加入金属钛粉0.25～1克，将金属钛粉放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应2～24小时，用去离子水清洗，干燥，得到多刻面球状微纳结构二氧化钛；或将金属钛板用步骤1)的酸洗液酸洗后，再用去离子水超声波清洗干净，放入聚四氟乙烯水热罐并浸没于氟化氢水溶液中，在180℃下水热反应2～24小时，用去离子水清洗，干燥，得到附着在金属钛板上的多刻面球状微纳结构二氧化钛。
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