CN103570064B - 一种混晶海胆状TiO2 空心球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种混晶海胆状TiO2空心球，该空心球是壁上长有尖锥的海胆状空心球，其尖锥为金红石相，空心球的壁由锐钛矿相组成；空心球的直径为300~800nm，尖锥的长度为50~200nm。本发明公开了该混晶海胆状TiO2空心球的制备方法，用无模板简单水热方法合成了金红石相的棒和锐钛矿的空心球并自组装成混晶海胆状TiO2空心球。本发明混晶海胆状TiO2空心球是一种n-型宽带隙半导体材料，可广泛应用于光催化、气敏性、太阳能电池等方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米材料的制备，特别涉及一种混晶海胆状二氧化钛空心球及其制备方法。
背景技术
不同尺寸大小和不同形貌纳米材料对其性能具有重要影响。自组装的纳米材料由于特定的形貌、结构而具有与众不同的性能。空心结构作为一种特殊的形貌结构，在催化剂、传感器、电池、微囊反应器、药物缓释等方面得到了应用。纳米空心结构可由硬模板如PS球、硅球、树脂球等加以合成；或用微乳、表面活性剂等软模板合成。新的发展趋势是无模板合成，即利用Kirkendall效应、Ostwald熟化等过程来合成纳米空心结构[25-30]。这种方法不仅步骤简单，节省成本，而且环境友好。二氧化钛（TiO2）是一种n-型宽带隙（Eg = 3.2 eV）半导体材料，广泛应用于光催化、气敏性、太阳能电池等方面。已经合成出的TiO2形貌有纳米颗粒、纳米管、纳米棒、纳米丝、空心球、中孔等。TiO2有三种晶型，分别是锐钛矿、金红石和板钛矿。混合相TiO2因其特殊的性能而成为人们研究的热点，已经合成出混相纳米颗粒、纳米六方片、空心球等，但这些材料的复合相大部分是完全无序混杂在一起的，这样在合成机理研究上比较困难，在应用时也缺乏针对性。如果把不同相的纳米材料自组装成一个多级结构，有可能带来新的功能。有文献报道在锐钛矿的膜里镶嵌金红石相的棒，因两相的相互作用而在光电化学方面具有好的性能。因此，发展一种简单的无模板方法合成由不同晶相TiO2自组装的多级结构将是很有意义的探索。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的应用广泛的混晶海胆状TiO2空心球。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供了上述混晶海胆状TiO2空心球的制备方法。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种混晶海胆状TiO2空心球，其特点是：该空心球是壁上长有尖锥的海胆状空心球，其尖锥为金红石相，空心球的壁由锐钛矿相组成；空心球的直径为300~800 nm，尖锥的长度为50~200 nm。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本发明还公开了一种如以上技术方案所述的混晶海胆状TiO2空心球的制备方法，其特点是，其步骤如下：
（1）将Ti(SO4)2溶解到水中，配制成浓度为4~20 mol/ml的水溶液，搅拌溶解后向其中滴加H2O2溶液，H2O2溶液与Ti(SO4)2水溶液的质量比为0.5~2:1，室温搅拌，得到橙黄色溶液；
（2）向橙黄色溶液中加入氢氧化钠，使氢氧化钠与Ti(SO4)2质量比为0~3:1(氢氧化钠可以不加)，继续搅拌；然后将混合液转移至水热釜中，在80~160℃下处理3~24小时；所得混合液离心分离、水洗、干燥即得混晶海胆状TiO2空心球。
以上所述的制备方法技术方案中，其优选步骤如下：
（1）将Ti(SO4)2溶解到水中，配制成浓度为12 mol/ml的水溶液，搅拌溶解后向其中滴加H2O2溶液，H2O2溶液与Ti(SO4)2水溶液的质量比为1:1，室温搅拌，得到橙黄色溶液；
（2）向橙黄色溶液中加入氢氧化钠，使氢氧化钠与Ti(SO4)2质量比为1~2:1，继续搅拌；然后将混合液转移至水热釜中，在100-120℃下处理12小时；所得混合液离心分离、水洗后，放入80℃干燥箱中干燥12~24小时，即得混晶海胆状TiO2空心球。
与现有技术相比，本发明方法用无模板简单水热方法合成了金红石相的棒和锐钛矿的空心球并自组装成混晶海胆状TiO2空心球。本发明混晶海胆状TiO2空心球是一种n-型宽带隙半导体材料，其质量优良，可广泛应用于光催化、气敏性、太阳能电池等方面。
附图说明
图1为混晶海胆状TiO2空心球的XRD 图谱（Anatase：锐钛矿相，Rutile：金红石相）；
图2为海胆状TiO2空心球上的尖锥(a, b)和壳(c, d) 的HRTEM照片和相应的SAED图；
图3为海胆状TiO2空心球的TEM照片；
图4为海胆状TiO2空心球的SEM照片。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，一种混晶海胆状TiO2空心球，该空心球是壁上长有尖锥的海胆状空心球，其尖锥为金红石相，空心球的壁由锐钛矿相组成；空心球的直径为300~800 nm，尖锥的长度为50~200 nm。
实施例2，一种如实施例1所述的混晶海胆状TiO2空心球的制备方法，其步骤如下：
（1）将Ti(SO4)2溶解到水中，配制成浓度为4 mol/ml的水溶液，搅拌溶解后向其中滴加H2O2溶液，H2O2溶液与Ti(SO4)2水溶液的质量比为0.5:1，室温搅拌，得到橙黄色溶液；
（2）向橙黄色溶液中加入氢氧化钠，使氢氧化钠与Ti(SO4)2质量比为0.1:1，继续搅拌；然后将混合液转移至水热釜中，在80℃下处理3小时；所得混合液离心分离、水洗、干燥即得混晶海胆状TiO2空心球。
实施例2，一种如实施例1所述的混晶海胆状TiO2空心球的制备方法，其步骤如下：
（1）将Ti(SO4)2溶解到水中，配制成浓度为20 mol/ml的水溶液，搅拌溶解后向其中滴加H2O2溶液，H2O2溶液与Ti(SO4)2水溶液的质量比为2:1，室温搅拌，得到橙黄色溶液；
（2）向橙黄色溶液中加入氢氧化钠，使氢氧化钠与Ti(SO4)2质量比为3:1，继续搅拌；然后将混合液转移至水热釜中，在160℃下处理24小时；所得混合液离心分离、水洗、干燥即得混晶海胆状TiO2空心球。
实施例3，一种如实施例1所述的混晶海胆状TiO2空心球的制备方法，其步骤如下：
（1）将Ti(SO4)2溶解到水中，配制成浓度为10 mol/ml的水溶液，搅拌溶解后向其中滴加H2O2溶液，H2O2溶液与Ti(SO4)2水溶液的质量比为1.5:1，室温搅拌，得到橙黄色溶液；
（2）向橙黄色溶液中加入氢氧化钠，使氢氧化钠与Ti(SO4)2质量比为1:1，继续搅拌；然后将混合液转移至水热釜中，在100℃下处理12小时；所得混合液离心分离、水洗、干燥即得混晶海胆状TiO2空心球。
实施例4，一种如实施例1所述的混晶海胆状TiO2空心球的制备方法，其步骤如下：
（1）将Ti(SO4)2溶解到水中，配制成浓度为12 mol/ml的水溶液，搅拌溶解后向其中滴加H2O2溶液，H2O2溶液与Ti(SO4)2水溶液的质量比为1:1，室温搅拌，得到橙黄色溶液；
（2）向橙黄色溶液中加入氢氧化钠，使氢氧化钠与Ti(SO4)2质量比为2:1，继续搅拌；然后将混合液转移至水热釜中，在120℃下处理12小时；所得混合液离心分离、水洗后，放入80℃干燥箱中干燥12~24小时，即得混晶海胆状TiO2空心球。
实施例5，混晶海胆状TiO2空心球的制备方法实验：称取0.04gTi(SO4)2溶解到40ml的水中，搅拌10min充分溶解形成澄清溶液，搅拌中滴加20mlH2O2溶液，得到橙黄色溶液，再加入0.06g氢氧化钠，使其溶解，继续搅拌2小时，将混合液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中120℃水热，水热时间10小时，所得混合液离心分离、水洗后，放入80℃干燥箱中干燥12h。所得产物为壁上长有尖锥的海胆状TiO2空心球，参见图1-4。
实施例6，混晶海胆状TiO2空心球的制备方法实验：称取0.04gTi(SO4)2溶解到40ml的水中，搅拌10min充分溶解形成澄清溶液，搅拌中滴加20mlH2O2溶液，得到橙黄色溶液，使其溶解，继续搅拌2小时，将混合液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中120℃水热，水热时间10小时，所得混合液离心分离、水洗后，放入80℃干燥箱中干燥12h。所得产物为壁上长有尖锥的海胆状TiO2空心球。
实施例7，混晶海胆状TiO2空心球的制备方法实验：称取0.04gTi(SO4)2溶解到40ml的水中，搅拌10min充分溶解形成澄清溶液，搅拌中滴加40mlH2O2溶液，得到橙黄色溶液，再加入0.09g氢氧化钠，使其溶解，继续搅拌2小时，将混合液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中120℃水热，水热时间10小时，所得混合液离心分离、水洗后，放入80℃干燥箱中干燥12h。所得产物为壁上长有尖锥的海胆状TiO2空心球，尖锥较少。
实施例8，混晶海胆状TiO2空心球的制备方法实验：称取0.06gTi(SO4)2溶解到40ml的水中，搅拌10min充分溶解形成澄清溶液，搅拌中滴加20mlH2O2溶液，得到橙黄色溶液，再加入0.06g氢氧化钠，使其溶解，继续搅拌2小时，将混合液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中120℃水热，水热时间10小时，所得混合液离心分离、水洗后，放入80℃干燥箱中干燥12h。所得产物为壁上长有尖锥的海胆状TiO2空心球。
实施例9，混晶海胆状TiO2空心球的制备方法实验：称取0.04gTi(SO4)2溶解到40ml的水中，搅拌10min充分溶解形成澄清溶液，搅拌中滴加40mlH2O2溶液，得到橙黄色溶液，再加入0.06g氢氧化钠，使其溶解，继续搅拌2小时，将混合液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中120℃水热，水热时间10小时，所得混合液离心分离、水洗后，放入80℃干燥箱中干燥12h。所得产物为壁上长有尖锥的海胆状TiO2空心球，尖锥较少。
实施例10，混晶海胆状TiO2空心球的制备方法实验：称取0.04gTi(SO4)2溶解到40ml的水中，搅拌10min充分溶解形成澄清溶液，搅拌中滴加30mlH2O2溶液，得到橙黄色溶液，再加入0.03g氢氧化钠，使其溶解，继续搅拌2小时，将混合液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中120℃水热，水热时间10小时，所得混合液离心分离、水洗后，放入80℃干燥箱中干燥12h。所得产物为壁上长有尖锥的海胆状TiO2空心球。
Claims (3)
1.一种混晶海胆状TiO2空心球，其特征在于：该空心球是壁上长有尖锥的海胆状空心球，其尖锥为金红石相，空心球的壁由锐钛矿相组成；空心球的直径为300～800nm，尖锥的长度为50～200nm。
2.一种如权利要求1所述的混晶海胆状TiO2空心球的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
(1)将Ti(SO4)2溶解到水中，配制成浓度为4～20mol/ml的水溶液，搅拌溶解后向其中滴加H2O2溶液，H2O2溶液与Ti(SO4)2水溶液的质量比为0.5～2:1，室温搅拌，得到橙黄色溶液；
(2)向橙黄色溶液中加入氢氧化钠，使氢氧化钠与Ti(SO4)2质量比为0～3:1且氢氧化钠不为0，继续搅拌；然后将混合液转移至水热釜中，在80～160℃下处理3～24小时；所得混合液离心分离、水洗、干燥即得混晶海胆状TiO2空心球。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
(1)将Ti(SO4)2溶解到水中，配制成浓度为12mol/ml的水溶液，搅拌溶解后向其中滴加H2O2溶液，H2O2溶液与Ti(SO4)2水溶液的质量比为1:1，室温搅拌，得到橙黄色溶液；
(2)向橙黄色溶液中加入氢氧化钠，使氢氧化钠与Ti(SO4)2质量比为0.1～3:1，继续搅拌；然后将混合液转移至水热釜中，在100-120℃下处理12小时；所得混合液离心分离、水洗后，放入80℃干燥箱中干燥12～24小时，即得混晶海胆状TiO2空心球。
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