專利名稱：一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法
技術領域：
本發明涉及一種一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法，屬于無機功能材料技術領域。
背景技術：
由于納米二氧化鈦(TiO2)的特殊性質及在環境和能源領域中的潛在應用，使得它被廣泛研究。目前，納米二氧化鈦在光催化、光伏電池、染料敏化太陽能電池和鋰離子電池等領域發揮著重要作用。二氧化鈦的性能取決于晶體結構、形貌、比表面積和尺寸等因素。二氧化鈦具有三種最常見的晶相:銳鈦礦(A)、金紅石(R)和板鈦礦(B)。這三種晶體結構均由扭曲的TiO6八面體組成，差別僅在于其連接方式。研究結果表明，與純相二氧化鈦相比，混相二氧化鈦擁有更高的電子-空穴分離能力，從而具有更高的光催化活性。此外，銳鈦礦的光催化活性還與其暴露的活性面有密切關系。自從發現利用氫氟酸可制備出高暴露{001}面的二氧化鈦后，晶面依賴的光催化活性問題引起了科研工作者的廣泛關注。然而，基于氫氟酸合成二氧化鈦的方法很難大規模應用，因為其具有很大的毒性。因此，尋求簡單、綠色的合成暴露高能面二氧化鈦的方法仍然是一個挑戰。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種簡單、綠色的一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法。本發明的技術方案概述如下:`一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法，包括如下步驟:(I)按比例稱取2.41-3.86g三氯化鈦溶液(質量分數為20%，內含3%鹽酸)，加入到48-76mL蒸餾水中，攪拌，得到澄清溶液；(2)向步驟(I)中加入0-0.44g抗壞血酸，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液；(3)將步驟(2)獲得的澄清溶液轉移至IOOmL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，在180°C下反應IOh ；(4)待步驟(3)所得懸浮液冷卻至室溫后，在一定轉速下離心lOmin，然后用蒸餾水水洗，重復數次，將所得固體置于真空干燥箱中100°C下干燥10h，即得產品。優選的是:所述步驟⑴為:按比例稱取3.86g三氯化鈦溶液(質量分數為20%，內含3%鹽酸)，加入到76mL蒸餾水中，濃度為0.051g L—1，攪拌，得到澄清溶液。所述步驟⑵為:向步驟⑴中加入0.044g抗壞血酸，抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比為0.05，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液。所述步驟(3)為:將步驟(2)獲得的澄清溶液轉移至IOOmL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，以5°C /min的速率從室溫升至180°C，并在該溫度下保持10h。所述步驟⑷為:待步驟⑶所得懸浮液冷卻至室溫后，在4200r/min的轉速下離心lOmin，然后用蒸餾水水洗，重復三次，將所得固體置于真空干燥箱中100°C下干燥10h，
即得產品。本發明的優點:本發明所使用的原料綠色、方法簡單、合成過程耗時短。通過調節抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比可以一步合成同時具有混相和高活性面的二氧化鈦，所獲得的納米粒子形貌比較規則。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明。下面的實施例是為了使本領域的技術人員能夠更好地理解本發明，但不對本發明作任何限制。實施例1一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法，包括如下步驟:(I)稱取2.41g三氯化鈦溶液(質量分數為20%，內含3%鹽酸)，加入到48mL蒸餾水中，攪拌，得到澄清溶液；
(2)將步驟(I)所得的澄清溶液轉移至IOOmL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，以50C /min的速率從室溫升至180°C，并在該溫度下保持IOh ；(3)待步驟(2)所得懸浮液冷卻至室溫后，在4200r/min的轉速下離心lOmin，然后用蒸餾水水洗，重復三次，將所得固體置于真空干燥箱中100°C下干燥10h，即得產品P1。實施例2一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法，包括如下步驟:(I)稱取3.86g三氯化鈦溶液(質量分數為20%，內含3%鹽酸)，加入到76mL蒸餾水中，攪拌，得到澄清溶液；(2)向步驟(I)中加入0.044g抗壞血酸，抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比為0.05，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液；(3)將步驟(2)獲得的澄清溶液轉移至IOOmL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，以50C /min的速率從室溫升至180°C，并在該溫度下保持IOh ；(4)待步驟(3)所得懸浮液冷卻至室溫后，在4200r/min的轉速下離心lOmin，然后用蒸餾水水洗，重復三次，將所得固體置于真空干燥箱中100°C下干燥10h，即得產品P2。實施例3一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法，包括如下步驟:(I)稱取3.86g三氯化鈦溶液(質量分數為20%，內含3%鹽酸)，加入到76mL蒸餾水中，攪拌，得到澄清溶液；(2)向步驟(I)中加入0.1lg抗壞血酸，抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比為0.125，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液；(3)將步驟⑵獲得的澄清溶液轉移至IOOmL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，以50C /min的速率從室溫升至180°C，并在該溫度下保持IOh ；(4)待步驟(3)所得懸浮液冷卻至室溫后，在4200r/min的轉速下離心lOmin，然后用蒸餾水水洗，重復三次，將所得固體置于真空干燥箱中100°c下干燥10h，即得產品P3。實施例4—步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法，包括如下步驟:(I)稱取3.86g三氯化鈦溶液(質量分數為20%，內含3%鹽酸)，加入到76mL蒸餾水中，攪拌，得到澄清溶液；(2)向步驟(I)中加入0.22g抗壞血酸，抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比為0.25，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液；(3)將步驟(2)獲得的澄清溶液轉移至IOOmL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，以50C /min的速率從室溫升至180°C，并在該溫度下保持IOh ；(4)待步驟(3)所得懸浮液冷卻至室溫后，在4200r/min的轉速下離心lOmin，然后用蒸餾水水洗，重復三次，將所得固體置于真空干燥箱中100°C下干燥10h，即得產品P4。實施例5一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法，包括如下步驟:(I)稱取3.86g三氯化鈦溶液(質量分數為20%，內含3%鹽酸)，加入到76mL蒸餾水中，攪拌，得到澄清溶液；(2)向步驟(I)中加入0.44g抗壞血酸，抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比為0.5，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液；(3)將步驟(2)獲得的澄清溶液轉移至IOOmL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，以50C /min的速率從室溫升 至180°C，并在該溫度下保持IOh ；(4)待步驟(3)所得懸浮液冷卻至室溫后，在4200r/min的轉速下離心lOmin，然后用蒸餾水水洗，重復三次，將所得固體置于真空干燥箱中100°C下干燥10h，即得產品P5。本發明涉及一種一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的技術方法。沒有添加抗壞血酸的體系生成棒狀或顆粒狀的混相二氧化鈦，隨著抗壞血酸含量的增加，銳鈦礦的比例迅速增加。當抗壞血酸與三氯化鈦的摩爾比為0.05時，生成截頭四方雙錐形貌的二氧化鈦顆粒最多[此結構具有較多的1001}活性面]，{001}活性面的比表面積可占到總比表面的18.4%;當抗壞血酸與三氯化鈦的摩爾比為0.125時，{001}活性面的比表面積可占到總比表面的8.8% ;而當抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比為0.5時，最終生成的二氧化鈦顆粒為蠕蟲狀，此時沒有1001}活性面。本發明方法只需加入抗壞血酸就可實現合成暴露高活性面二氧化鈦，操作簡單安全、無毒無害、易控制，這大大降低了暴露高活性面二氧化鈦的生產成本，是一種經濟實用的綠色環保技術。
圖1.TiO2 樣品的 XRD 表征圖譜:(a) Pl，(b)P2，(c)P3，(d)P4 和(e)P5(A:銳鈦礦，R:金紅石，B:板鈦礦)。圖2.TiO2 樣品的 SEM 表征圖譜:(a) Pl，(b)P2，(c)P3 和(d)P5。圖3.TiO2 樣品的 TEM 表征圖譜:(a_c) Pl，(d，e)P2，(f，g)P3 和(h)P5。
權利要求
1.步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法，其特征是包括如下步驟: (1)按比例稱取2.41-3.86g三氯化鈦溶液，加入到48-76mL蒸餾水中，攪拌，得到澄清溶液； (2)向步驟(I)中加入0-0.44g抗壞血酸，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液； (3)將步驟(2)獲得的澄清溶液轉移至IOOmL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，在180°C下反應IOh ； (4)待步驟(3)所得懸浮液冷卻至室溫后，在一定轉速下離心lOmin，然后用蒸餾水水洗，重復數次，將所得固體置于真空干燥箱中100°C下干燥10h，即得產品。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述步驟(I)中所述:三氯化鈦溶液質量分數為20%，內含3%鹽酸。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述步驟(I)中所述:按比例稱取3.86g三氯化鈦溶液，加入到76mL蒸餾水中，攪拌，得到澄清溶液。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述步驟(2)中所述:不加入抗壞血酸，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到 澄清溶液，最終產品為棒狀或顆粒狀的混相二氧化鈦。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述步驟(2)中所述:向步驟⑴中加入0.044g抗壞血酸，抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比為0.05，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液，最終生成的截頭四方雙錐形貌的二氧化鈦顆粒最多，此時{001}活性面的比表面積占二氧化鈦顆粒總比表面的18.4%。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述步驟(2)中所述:向步驟⑴中加入0.1 Ig抗壞血酸，抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比為0.125，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液，最終產品中存在截頭四方雙錐形貌的二氧化鈦顆粒，{001}活性面的比表面積占二氧化鈦顆粒總比表面的8.8 %。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述步驟(2)中所述:向步驟⑴中加入0.44g抗壞血酸，抗壞血酸與三氯化鈦摩爾比為0.5，在常溫常壓下，持續攪拌lOmin，得到澄清溶液，最終生成的二氧化鈦顆粒為蠕蟲狀，此時沒有{001}活性面。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述步驟(3)中所述:將步驟(2)獲得的澄清溶液轉移至IOOmL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，以5°C /min的速率從室溫升至180°C，并在該溫度下保持10h。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述步驟(4)中所述:待步驟(3)所得懸浮液冷卻至室溫后，在4200r/min的轉速下離心lOmin，然后用蒸餾水水洗，重復三次，將所得固體置于真空干燥箱中100°C下干燥10h，即得產品。
全文摘要
本發明公開了一種一步合成混相和暴露高活性面二氧化鈦的方法，步驟為(1)稱取一定量三氯化鈦溶液加入到蒸餾水中，攪拌；(2)稱取一定量抗壞血酸固體加入到溶液中，攪拌直至全部溶解；(3)將溶液轉移至100mL聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應釜中，在180℃下反應10h；(4)待反應體系自然冷卻至室溫后，離心并用蒸餾水水洗，重復數次，然后將所得沉淀置于真空干燥箱中100℃下干燥10h，即得產品。本發明方法簡單，合成過程耗時短且對環境友好。
文檔編號B82Y40/00GK103086424SQ20131006212
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者韓煦, 任海濤, 王為民, 李約翰 申請人:天津工業大學