CN105692694A - Ti3O5/TiO2混晶纳米纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相转变制备Ti3O5/TiO2混相纳米纤维的方法,主要解决传统制备方法成本及能耗较高的问题。其实现步骤是:1.将TiOSO4·H2O与NaOH溶液混合后,置于不锈钢高压反应釜中加热到200℃,并保温48小时,再进行离心分离和盐酸冲洗,得到H2Ti3O7纳米纤维;2.将含有H2Ti3O7纳米纤维的Al2O3坩埚放置于马弗炉中,在大气环境或真空度下加热并保温,完成H2Ti3O7→TiO2(B)→Ti3O5的相变;3.将坩埚取出,在空气中自然冷却,得到Ti3O5/TiO2混相纳米纤维。本发明成本低,工艺简单,获得相界面结构稳定质量,可用于制作TiO2基光催化剂。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料领域,具体涉及氧化钛体系纳米混晶材料的制备方法,可用于制备新型光催化剂。
技术背景
在光催化领域,一般使用贵金属纳米粒子修饰TiO2纳米材料,合成诸如Pt/TiO2混相光催化剂,但这类催化剂存在成本过高,且贵金属粒子易脱落的问题,因此不能广泛应用于工业生产。TinO2n-1(n=3~7)是一种还原性氧化钛材料,由于内部存在TiIII/TiIV键的混合作用,具有特殊的光电和磁学性能,可用于光催化、记忆开关和燃料电池等领域。由于TinO2n-1的电学特性与金属类似,有望代替贵金属颗粒,与TiO2材料复合,成为新型TinO2n-1/TiO2混相纳米催化材料。以往研究表明,TinO2n-1相中的n值与其电阻率呈反比关系,Ti3O5被认为拥有TinO2n-1相中最低的电阻率。因此,如果Ti3O5与TiO2形成混相得到Ti3O5/TiO2界面,则光致载流子在界面处的传输遇到的阻碍将大大降低,有利于提高光催化效率。
截至目前,许多研究者采用了以TiO2为前驱体制备TinO2n-1/TiO2混相材料。2012年C.Tang等人采用金红石粉末为前驱体,将其在NH3气氛下加热至1050℃,成功获得了Ti4O7/Ti5O9/Ti6O11/TiO2的混相微孔纳米球,参见C.Tang,D.Zhou,Q.Zhang.SynthesisandcharacterizationofMagnéliphases:ReductionofTiO2inadecomposedNH3atmosphere[J].MaterialsLetters,2012,79:42-44。这种方法制备的混相材料具有较高的电导率,尺寸均匀且形态完整。然而,制备过程中加热温度高,且使用了NH3气氛,因此该合成法具有一定的安全隐患,而且所获得的混相材料比表面积较低,不适合用作催化剂材料。2011年N.Stem等人以C掺杂的非晶TiO2薄膜为原料,通过在水蒸气和N2的混合气氛下加热至1000℃保温2小时后得到了TiO2/Ti3O5混相纳米纤维,参见N.Stem,E.F.Chinaglia,S.G.dosSantosFilho.MicroscalemeshesofTi3O5nano-andmicrofiberspreparedviaannealingofC-dopedTiO2thinfilms[J].MaterialsScienceandEngineeringB,2011,176:1190-1196。这种方法制备过程较为复杂,获得的混相纳米纤维数量少且形态不规则,无法大规模批量生产。因此,寻求安全可靠、工艺简单可控的方法,合成TiO2/Ti3O5混相纳米材料是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足,提出一种Ti3O5/TiO2混晶纳米纤维的制备方法,一方面避免使用气体,简化工艺;另一方面,有效的调控Ti3O5/TiO2混晶纳米纤维的尺寸。
实现本发明的技术关键是:通过控制煅烧参数,对水热法生长的H2Ti3O7纳米纤维进依次发生H2Ti3O7→TiO2(B)→Ti3O5的相转变,实现对相变过程的精确控制,获得具有共格界面的Ti3O5/TiO2混相纳米纤维,其技术方案如下:
(1)将10.7g的TiOSO4·xH2O与浓度为15mol/L的NaOH溶液100mL混合后置于不锈钢高压反应釜中;
(2)将反应釜加热到200℃并保温48小时,使水热反应充分发生,得到膏状沉淀产物,将该沉淀产物依次通过离心分离和0.1mol/L的盐酸冲洗处理,获得H2Ti3O7纳米纤维;
(3)将H2Ti3O7纳米纤维装入Al2O3坩埚,并置于马弗炉中在大气环境或10-4Pa~10-2Pa的真空环境中煅烧到300℃后,保温30min,使其发生H2Ti3O7→TiO2(B)→Ti3O5的相变;
(4)将坩埚取出,在空气中自然冷却,得到具有共格界面的Ti3O5/TiO2混相纳米纤维。
本发明具有如下优点:
1.本发明由于采用水热法生长H2Ti3O7纳米纤维作为前驱体,可有效的调控Ti3O5/TiO2混相纳米纤维的尺寸以及形貌;
2.本发明通过TiO2(B)基体内部发生相转变获得Ti3O5,使得相变产物Ti3O5与TiO2(B)之间存在确定的晶体学取向关系,且对应的两相界面为共格界面,该共格界面,在700℃以下的温度中能够长时间稳定存在。
本发明的技术方案和效果可通过以下附图和实例进一步说明。
附图说明
图1为本发明的实现流程图;
图2是本发明实例1制备混相纳米纤维Ti3O5/TiO2的透射电镜TEM明场像照片;
图3是本发明实例1制备混相纳米纤维Ti3O5/TiO2对应的电子衍射花样照片;
图4是本发明实例1制备混相纳米纤维Ti3O5/TiO2共格界面的高分辨透射电子显微镜照片。
具体实施方式
参照图1,本发明给出如下三种实施例:
实施例1:在大气气氛下制备Ti3O5/TiO2混相纳米纤维。
步骤1,制备前驱体H2Ti3O7纳米纤维
将10.7g的TiOSO4·H2O与100mL浓度为15mol/L的NaOH溶液混合后置于不锈钢高压反应釜中;
将反应釜加热到200℃并保温48小时,以使TiOSO4·H2O和NaOH这两种溶液充分发生水热反应,得到膏状沉淀产物;
将该沉淀产物依次通过离心分离和0.1mol/L的盐酸冲洗后,得到H2Ti3O7纳米纤维,离心分离时其设置转速为10000转/min,设置离心时间为5min。
步骤2,煅烧前驱体H2Ti3O7纳米纤维
将H2Ti3O7纳米纤维装入Al2O3坩埚并放置于马弗炉中,再将马弗炉加热到300℃,并保温30min,使H2Ti3O7纳米纤维发生相变得到TiO2(B),TiO2(B)再进一步发生相变得到Ti3O5,即H2Ti3O7→TiO2(B)→Ti3O5的相变。
步骤3,得到Ti3O5/TiO2混相纳米纤维
待保温阶段结束后,将Al2O3坩埚立即取出,在空气中自然冷却后,即可在坩埚中得到Ti3O5/TiO2混相纳米纤维,并取出,完成制作,该Ti3O5/TiO2混相纳米纤维的异质界面为共格结构,界面晶格匹配良好,错配度低于1%。
实施例2:在10-4Pa的真空环境下制备Ti3O5/TiO2混相纳米纤维。
步骤A,制备前驱体H2Ti3O7纳米纤维
本步骤的具体实现与实施例1的步骤1相同。
步骤B,煅烧前驱体H2Ti3O7纳米纤维
将含有H2Ti3O7纳米纤维的Al2O3坩埚放置于管式炉中,利用机械泵+分子泵这两级真空泵,对管式炉抽真空至10-4Pa,将抽过真空的管式炉加热至300℃并保温30min,使H2Ti3O7纳米纤维发生相变得到TiO2(B),TiO2(B)再进一步发生相变得到Ti3O5,即H2Ti3O7→TiO2(B)→Ti3O5的相变。
步骤C,得到Ti3O5/TiO2混相纳米纤维
待保温阶段结束后,立即降温至室温,将炉内恢复大气压后,取出坩埚即可在坩埚中得到Ti3O5/TiO2混相纳米纤维,并取出,完成制作,该Ti3O5/TiO2混相纳米纤维的异质界面结构与实施例1相同。
实施例3,在10-2Pa的真空环境下制备Ti3O5/TiO2混相纳米纤维。
第一步,制备前驱体H2Ti3O7纳米纤维
本步骤的具体实现与实施例1的步骤1相同。
第二步,煅烧前驱体H2Ti3O7纳米纤维
将含有H2Ti3O7纳米纤维的Al2O3坩埚放置于管式炉中,利用机械泵对管式炉抽真空至10-2Pa,将抽过真空的管式炉加热至300℃并保温30min,使H2Ti3O7纳米纤维发生相变获得TiO2(B),TiO2(B)再进一步发生相变得到Ti3O5,即H2Ti3O7→TiO2(B)→Ti3O5的相变。
第三步,得到Ti3O5/TiO2混相纳米纤维
待保温阶段结束后,待温度降至室温时将炉内恢复大气压后,取出坩埚即可在坩埚中得到Ti3O5/TiO2混相纳米纤维,并取出,完成制作,该Ti3O5/TiO2混相纳米纤维的异质界面结构与实施例1相同。
本发明的效果可通过以下实测结果进一步说明。
利用透射电子显微镜TEM拍摄混相纳米纤维Ti3O5/TiO2,获得该纳米纤维的明场相照片,如图2,从图2中可看到混相纳米纤维Ti3O5/TiO2具有清晰的异质界面。
利用透射电子显微镜TEM拍摄混相纳米纤维Ti3O5/TiO2获得该纳米纤维的的电子衍射花样照片,如图3,从图3中可看到两套衍射花样,对这两套衍射花样分别进行标定,发现其分别为Ti3O5、TiO2的衍射花样,说明制备所得产物只有Ti3O5、TiO2两相物质。
利用透射电子显微镜TEM拍摄混相纳米纤维Ti3O5/TiO2,获得该纳米纤维的高分辨透射电子显微镜照片,如图4,从图4中可知Ti3O5/TiO2混相纳米纤维的异质界面为共格结构,界面晶格匹配良好。
Claims (3)
1.一种Ti3O5/TiO2混晶纳米纤维的制备方法,包括如下步骤:
(1)将10.7g的TiOSO4·xH2O与浓度为15mol/L的NaOH溶液100mL混合后置于不锈钢高压反应釜中;
(2)将反应釜加热到200℃并保温48小时,使水热反应充分发生,得到膏状沉淀产物,将该沉淀产物依次通过离心分离和0.1mol/L的盐酸冲洗处理,获得H2Ti3O7纳米纤维;
(3)将H2Ti3O7纳米纤维装入Al2O3坩埚,并置于马弗炉在大气环境或10-4Pa~10-2Pa的真空环境中煅烧到300℃,保温30min,使其发生H2Ti3O7→TiO2(B)→Ti3O5的相变;
(4)将坩埚取出,在空气中自然冷却,得到具有共格界面的Ti3O5/TiO2混相纳米纤维。
2.根据权利要求书1所述的方法,其中步骤(2)中离心分离转速设置为10000转/min,离心时间是5min。
3.根据权利要求书1所述的方法,其中步骤(4)得到具有共格界面的Ti3O5/TiO2混晶纳米纤维,其异质界面为共格结构:TiO2(B)/Ti3O5,其错配度低于1%。
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