專利名稱：多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開一種多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦及其制備方法，屬納米材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二氧化鈦在光催化、光電催化、氣體傳感器、薄膜太陽能電池、鋰離子電池和電致 變色等眾多領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用。二氧化鈦的晶型、比表面積和和形貌是決定其光催 化效率等性能的關(guān)鍵因素。例如，銳鈦礦結(jié)構(gòu)二氧化鈦較金紅石型、板鈦礦型等其他晶型的 二氧化鈦具有更加優(yōu)異的光催化性能；尤其是(001)晶面，對催化效果起著舉足輕重的作 用。后續(xù)的熱處理過程會(huì)引起晶粒長大，比表面積減少，催化劑表面的活性基團(tuán)損失，從而 導(dǎo)致催化效率的降低。另一方面，不同的納米形態(tài)不但影響比表面積及表面狀態(tài)，對光生電 子空穴對的分離輸運(yùn)等特性也有重要影響。迄今，研究者已制備出納米管、納米線、納米棒、 納米花、空心納米球等多種形態(tài)的二氧化鈦，這些形態(tài)各異的納米結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出了各自不 同的優(yōu)異的物理化學(xué)及光電性能。因此，具有大比表面積、結(jié)晶良好的新型結(jié)構(gòu)二氧化鈦的 低溫制備，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦及其制備方法。 本發(fā)明的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦，由邊長150 350納米的立方體團(tuán)簇成
直徑1.5 2. 5微米的球體。 多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的制備方法，包括以下步驟 1)將質(zhì)量濃度為50 55%的氫氟酸、質(zhì)量濃度為65 68%的硝酸與去離子水按 體積比l : 3 : 6混合，得酸洗液； 2)配制質(zhì)量濃度為0.04 0.08%的氟化氫水溶液，置入聚四氟乙烯水熱罐中，氟 化氫水溶液與水熱罐的體積比為4:5; 3)按每升氟化氫水溶液中加入金屬鈦粉0.25 1克，將金屬鈦粉放入聚四氟乙烯 水熱罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反應(yīng)2 24小時(shí)，用去離子水清洗，干燥， 得到多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦；或?qū)⒔饘兮伆逵貌襟E1)的酸洗液酸洗后，再用去離子 水超聲波清洗干凈，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反應(yīng) 2 24小時(shí)，用去離子水清洗，干燥，得到附著在金屬鈦板上的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化 鈦。 本發(fā)明采用金屬鈦粉或金屬鈦板和氟化氫水溶液直接反應(yīng)的方法簡便易行，不需 要模板劑和催化劑，不需后續(xù)熱處理。制得的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦晶型為銳鈦礦， 結(jié)晶良好，結(jié)構(gòu)新穎，尺寸規(guī)整，可廣泛應(yīng)用于光催化、氣體傳感器、薄膜太陽能電池等領(lǐng) 域。


圖1為實(shí)施例1制備的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦粉末場發(fā)射掃描電子顯微鏡 照片； 圖2為實(shí)施例2制備的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦粉末場發(fā)射掃描電子顯微鏡 照片； 圖3為實(shí)施例3制備的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦粉末場發(fā)射掃描電子顯微鏡 照片； 圖4為實(shí)施例4制備的表面覆蓋多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的鈦片的場發(fā)射掃 描電子顯微鏡照片； 圖5為實(shí)施例5制備的表面覆蓋多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的鈦片的場發(fā)射掃 描電子顯微鏡照片； 圖6為實(shí)施例6制備的表面覆蓋多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的鈦片的場發(fā)射掃 描電子顯微鏡照片； 圖7為實(shí)施例6制備的表面覆蓋多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的鈦片的X射線衍 射圖； 圖8為實(shí)施例7制備的表面覆蓋多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的鈦片的場發(fā)射掃 描電子顯微鏡照片； 圖9為實(shí)施例8制備的表面覆蓋多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的鈦片的場發(fā)射掃 描電子顯微鏡照片； 圖10為實(shí)施例8制備的表面覆蓋多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的鈦片的X射線 衍射圖； 圖11為實(shí)施例9制備的表面覆蓋多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的鈦片的場發(fā)射 掃描電子顯微鏡照片； 圖12為實(shí)施例9制備的表面覆蓋多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的鈦片的X射線 衍射圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明方法。以下所說的濃度均為質(zhì)量百分比濃度。
實(shí)施例1 1)配制質(zhì)量濃度為0. 05%的氟化氫水溶液，置入聚四氟乙烯水熱罐中，氟化氫水 溶液與水熱罐的體積比為4:5; 2)秤取20mg粒度約200目的金屬鈦粉，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水 溶液中，在18(TC下水熱反應(yīng)5小時(shí)，用去離子水反復(fù)沖洗3遍，干燥，得到如圖l所示的多 刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦，球體的平均直徑為2. 0微米，組成球體的單個(gè)立方體邊長為 150 200納米，且中間凹陷。
實(shí)施例2
1)同實(shí)施例1 ; 2)秤取40mg粒度約200目的金屬鈦粉，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水 溶液中，在18(TC下水熱反應(yīng)12小時(shí)，用去離子水反復(fù)沖洗3遍，干燥，得到如圖2所示的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦，球體的平均直徑為1. 5 2. 0微米。組成球體的單個(gè)立方體 邊長為150 200納米，其上分布微孔。
實(shí)施例3 1)配制質(zhì)量濃度為0. 08%的氟化氫水溶液，置入聚四氟乙烯水熱罐中，氟化氫水 溶液與水熱罐的體積比為4:5; 2)秤取10mg粒度約200目的金屬鈦粉，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水 溶液中，在18(TC下水熱反應(yīng)24小時(shí)，用去離子水反復(fù)沖洗3遍，干燥，得到如圖3所示的多 刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦，球體的平均直徑為1. 5 2. 0微米。組成球體的單個(gè)立方體 邊長為150 200納米，多數(shù)立方體單元中間凹陷。
實(shí)施例4 1)將質(zhì)量濃度為55%的氫氟酸、質(zhì)量濃度為65%的硝酸與去離子水按體積比 1:3: 6混合，得酸洗液； 2)配制質(zhì)量濃度為0. 05%的氟化氫水溶液，置入聚四氟乙烯水熱罐中，氟化氫水 溶液與水熱罐的體積比為4:5; 3)將尺寸為2X2X0.01(cm3)金屬鈦板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去離子水 在超聲波中清洗干凈，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反 應(yīng)2小時(shí)，用去離子水清洗，干燥，得到如圖4所示的附著在金屬鈦板上的多刻面球狀微納 結(jié)構(gòu)二氧化鈦，球體直徑約2 2. 5微米，組成球體的單個(gè)立方體邊長為150 200納米。
實(shí)施例5
1)同實(shí)施例4。 2)配制質(zhì)量濃度為0. 06%的氟化氫水溶液，置入聚四氟乙烯水熱罐中，氟化氫水 溶液與水熱罐的體積比為4:5; 3)將尺寸為2X2X0.01(cm3)金屬鈦板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去離子水 在超聲波中清洗干凈，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反 應(yīng)3小時(shí)，用去離子水清洗，干燥，得到如圖5所示的附著在金屬鈦板上的多刻面球狀微納 結(jié)構(gòu)二氧化鈦，球體直徑約1. 5 2. 0微米，組成球體的單個(gè)立方體邊長為150 200納米。
實(shí)施例6 1) 1)將質(zhì)量濃度為50%的氫氟酸、質(zhì)量濃度為68%的硝酸與去離子水按體積比 1:3: 6混合，得酸洗液。
2)同實(shí)施例4。 3)將尺寸為2X2X0.01(cm3)金屬鈦板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去離子水 在超聲波中清洗干凈，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反 應(yīng)5小時(shí)，用去離子水清洗，干燥，得到如圖6所示的附著在金屬鈦板上的多刻面球狀微納 結(jié)構(gòu)二氧化鈦，球體直徑約為2. 0微米，組成球體的單個(gè)立方體邊長約為250納米，且中間 凹陷。圖7的X射線衍射結(jié)果顯示多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦為結(jié)晶良好的銳鈦礦相結(jié) 構(gòu)，并伴隨少量金紅石相。
實(shí)施例7
1)同實(shí)施例4。 2)配制質(zhì)量濃度為0. 07%的氟化氫水溶液，置入聚四氟乙烯水熱罐中，氟化氫水
5溶液與水熱罐的體積比為4:5; 3)將尺寸為2X2X0.01(cm3)金屬鈦板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去離子水 在超聲波中清洗干凈，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反 應(yīng)12小時(shí)，用去離子水清洗，干燥，得到如圖8所示的附著在金屬鈦板上的多刻面球狀微納 結(jié)構(gòu)二氧化鈦，球體直徑約為2. 0微米，組成球體的單個(gè)立方體邊長約為350納米，且中間 凹陷。 實(shí)施例8
1)同實(shí)施例4。
2)同實(shí)施例5。 3)將尺寸為2X2X0.01(cm3)金屬鈦板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去離子水 在超聲波中清洗干凈，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反 應(yīng)24小時(shí)，用去離子水清洗，干燥，得到如圖9所示的附著在金屬鈦板上的多刻面球狀微納 結(jié)構(gòu)二氧化鈦，球體直徑約2. 0微米，組成球體的單個(gè)立方體邊長約為350納米，且頂面有 較多的腐蝕坑出現(xiàn)。圖10的X射線衍射結(jié)果顯示多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦為結(jié)晶良 好的純銳鈦礦相結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例9
1)同實(shí)施例4。 2)配制質(zhì)量濃度為0. 08%的氟化氫水溶液，置入聚四氟乙烯水熱罐中，氟化氫水 溶液與水熱罐的體積比為4:5; 3)將尺寸為2X2X0.01(cm3)金屬鈦板表面用上述酸洗液酸洗后，再用去離子水 在超聲波中清洗干凈，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反 應(yīng)24小時(shí)，用去離子水清洗，干燥，得到如圖9所示的附著在金屬鈦板上的多刻面球狀微納 結(jié)構(gòu)二氧化鈦，球體直徑為1. 5 2. 0微米，組成球體的單個(gè)立方體邊長約為300納米。圖 12的X射線衍射結(jié)果顯示多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦為結(jié)晶良好的純銳鈦礦相結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦，其特征是由邊長150～350納米的立方體團(tuán)簇成直徑1.5～2.5微米的球體。
2. 制備權(quán)利要求1所述的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦的方法，包括以下步驟1) 將質(zhì)量濃度為50 55%的氫氟酸、質(zhì)量濃度為65 68%的硝酸與去離子水按體積 比l : 3 : 6混合，得酸洗液；2) 配制質(zhì)量濃度為O. 04 0. 08%的氟化氫水溶液，置入聚四氟乙烯水熱罐中，氟化氫 水溶液與水熱罐的體積比為4:5;3) 按每升氟化氫水溶液中加入金屬鈦粉O. 25 l克，將金屬鈦粉放入聚四氟乙烯水熱 罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反應(yīng)2 24小時(shí)，用去離子水清洗，干燥，得到 多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦；或?qū)⒔饘兮伆逵貌襟E1)的酸洗液酸洗后，再用去離子水超 聲波清洗干凈，放入聚四氟乙烯水熱罐并浸沒于氟化氫水溶液中，在18(TC下水熱反應(yīng)2 24小時(shí)，用去離子水清洗，干燥，得到附著在金屬鈦板上的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦。
全文摘要
本發(fā)明公開的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦由邊長150～350納米的立方體團(tuán)簇成直徑1.5～2.5微米的球體。采用金屬鈦粉或金屬鈦板和氟化氫水溶液直接180℃水熱反應(yīng)制備，制備方法簡便易行，不需要模板劑和催化劑，不需后續(xù)熱處理。制得的多刻面球狀微納結(jié)構(gòu)二氧化鈦晶型為銳鈦礦，結(jié)晶良好，結(jié)構(gòu)新穎，尺寸規(guī)整，可廣泛應(yīng)用于光催化、氣體傳感器、薄膜太陽能電池等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B81C99/00GK101767820SQ20101003964
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者吳進(jìn)明, 宋小梅 申請人:浙江大學(xué)