CN107540014A - 一种异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法 - Google Patents

一种异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及异质种子中孔金属氧化物制备领域，具体为一种异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长的制备方法。该方法通过湿化学过程以四氯化钛作为前驱体，含有异质种子的二氧化硅球作为模板，水热生长具有特定晶面暴露的金红石二氧化钛，刻蚀模板后得到含异质种子的中孔单晶金红石二氧化钛，能够实现异质种子外延生长助催化剂，解决了催化剂与助催化剂界面接触质量较差，光催化效率较低的问题。与传统种子模板法不同，本发明将四氯化钛前驱体和含异质种子二氧化硅模板装入反应釜中，经加热处理，刻蚀后得到特定晶面暴露的中孔单晶金红石二氧化钛。

Description

一种异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法
技术领域
本发明涉及异质种子中孔金属氧化物制备领域，具体为一种异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长的制备方法，通过湿化学过程以二氧化钌(二氧化锡、二氧化铱)异质种子，以TiCl4为前驱体水热生长特定晶面中孔单晶金红石TiO2。
背景技术
由于二氧化钛具有高的稳定性、合适的带隙、低成本、无毒等优点，其作为经典的光催化材料引起了广泛的关注和深入的研究。二氧化钛光催化剂除了应用于光催化分解水外，还广泛应用于光降解、太阳能电池、光电化学以及自清洁等领域。因为光催化反应主要在半导体材料的表面进行，且一定量的助催化剂有利用光生载流子的分离，所以研究半导体材料助催化剂沉积及找到提高其光催化效率的途径是近年来研究的重点。近年来，对于助催化剂的沉积主要是通过热沉和光沉的方法，这两种方法沉积的助催化剂界面接触质量较差，使得光生载流子不能有效的分离发生反应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，利用结构的相似性使得RuO2(SnO2、IrO2)即作为制备过程中TiO2生长的形核位点，又可以作为光催化反应中的助催化剂，这种方法可以得到全部为{111}晶面暴露的中孔单晶金红石TiO2，改变种子的浓度，样品的形状基本不发生改变。
本发明的技术方案是：
一种异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，以四氯化钛盐酸溶液作为前驱体，商用氟化钠作为晶面控制剂，选择同样为金红石型的二氧化钌、二氧化锡或二氧化铱作为异质种子，具体过程如下：
(1)取氯化钌水溶液或氯化铱水溶液为种子溶液，或者取氯化亚锡的乙醇溶液或水、乙醇混合溶液为种子溶液，加入二氧化硅球，制备含异质种子的二氧化硅球种子模板；
(2)将前驱体、氟化钠和二氧化硅球种子模板放入反应釜中，前驱体体积为20ml～60ml，氟化钠和二氧化硅球种子模板的质量比例为(0.1～1)：(0.5～20)，反应釜密封后，放入烘箱加热处理，取出反应样品，用去离子水清洗并烘干，刻蚀模板后，用去离子水和乙醇分别清洗并烘干，得到{111}晶面暴露的含不同异质种子的中孔单晶金红石二氧化钛，异质种子既作为制备过程中的形核位点，又作为光催化测试过程中的助催化剂。
所述的前驱体为商用化学纯四氯化钛溶液，所用的二氧化硅球直径为5～250纳米。
所述的反应釜材质为不锈钢、铝合金、铜和钽的一种，反应釜的内胆为聚四氟乙烯和高密度聚乙烯的一种。
所述的四氯化钛盐酸溶液中，盐酸的摩尔浓度为0.05M～5M，四氯化钛的摩尔浓度为0.01M～1M；所述的氯化钌水溶液或氯化铱水溶液中，氯化钌或氯化铱的摩尔浓度为0.001mM～0.1M；所述的氯化亚锡的乙醇溶液或水、乙醇混合溶液中，氯化亚锡的摩尔浓度为0.001mM～0.1M，乙醇与水的体积比在0～1之间。
所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，优选的：所述的四氯化钛盐酸溶液中，盐酸的摩尔浓度为1M～5M，四氯化钛的摩尔浓度为0.01M～0.1M；所述的氯化钌水溶液或氯化铱水溶液中，氯化钌或氯化铱的摩尔浓度为0.02mM～10mM；所述的氯化亚锡的乙醇溶液或水、乙醇混合溶液中，氯化亚锡的摩尔浓度为1mM～30mM，乙醇与水的体积比在0～1之间。
所述的放入烘箱加热处理时，加热温度为100～300℃，加热时间为2h～48h。
所述的用去离子水清洗后烘干时，烘干温度为60～100℃。
所述的刻蚀模板时，采用NaOH水溶液的摩尔浓度为1M～5M，在水浴温度60～90℃下刻蚀0.5～2h。
所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，不同浓度异质种子所制备的中孔单晶金红石二氧化钛的样品晶粒尺寸为300nm～900nm，孔径在2到50纳米之间，孔道贯穿于样品内部，表面为{111}晶面暴露。
所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，制备二氧化硅球种子模板时，种子溶液和二氧化硅球在60～80℃水浴保温0.5～2h，然后用去离子水冲洗，在70～90℃加热套中将种完种子后的二氧化硅球烘干，放置马弗炉中450～550℃保温20～40min。
本发明的设计思想如下：
对于光催化反应来说，样品的比表面积在一定程度上代表反应活性位的多少，因此获得多孔半导体材料很重要；而助催化剂沉积又是提高光催化性能的一个重要方面，目前主要的沉积方法是热沉积和光沉积，这两种方法所获得助催化剂与催化剂界面接触质量较差，不利于载流子的分离。因此，在实验过程中选择中孔单晶金红石TiO2为合成对象，在制备过程中，利用RuO2(SnO2、IrO2)为金红石结构，且晶格常数相近的特点，设计了异质种子外延生长制备中孔单晶金红石TiO2的过程。经水热和刻蚀处理后，可得到含异质种子作为助催化剂的中孔单晶样品，采用RuO2作为种子时，所制备样品表现出了较好的光催化产氢和产氧性能。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明是一种异质种子外延生长中孔单晶金红石TiO2的制备方法，在不同种子浓度下均可获得中孔样品。
2、本发明方法将中孔样品制备过程所需种子与光催化反应所需助催化剂结合在一起，获得了原位助催化剂修饰的中孔单晶金红石TiO2。
3、本发明方法所形成异质种子中孔单晶金红石TiO2形貌均一、孔分布均匀，粒径大小可通过种子浓度调控。
总之，采用本发明制备出具有规则形貌的、孔径分布均匀、粒径大小可调的异质种子中孔单晶金红石TiO2，对于材料合成本身及随后的光催化活性的研究都有重要的意义。对材料合成而言，在本发明中为合成异质种子中孔单晶金红石TiO2晶体应用了不同浓度的RuCl3(IrCl3)水溶液及不同浓度的SnCl2的水和乙醇溶液。对异质种子外延生长中孔TiO2光催化活性研究而言，异质种子作为助催化剂与TiO2的接触是原子层面的，不存在宏观的界面，因此光催化反应过程中载流子的分离效率更高，从而导致其光催化分解水产氢能力有差异。这也使得对原位生长助催化剂的方式有了更深的认识，从而为此后的以异质种子制备其他中孔氧化物提供了基础。
附图说明
图1不同浓度种子下中孔单晶金红石TiO2的SEM照片；其中，图(a)、(b)为0.04mMolRuO2作种子时制备得到的样品，图(c)、(d)为1mMol IrO2作种子时制备得到的样品，图(e)、(f)为10mMol SnO2作种子时制备得到的样品。
图2不同浓度种子下中孔单晶金红石TiO2的TEM照片；其中，图(a)、(b)分别为0.04mMRuO2和1mM IrO2作种子时制备得到样品的透射照片，图(c)为10mMol SnO2作种子时制备得到样品的透射照片。图(a)中的两个插图分别为0.04mM RuO2种子浓度下得到的中孔单晶金红石TiO2的低倍形貌相以及选区衍射图谱，图(b)中的两个插图分别为1mM IrO2种子浓度下得到的中孔单晶金红石TiO2的低倍形貌相以及选区衍射图谱，图(c)中的两个插图分别为10mM SnO2种子浓度下得到的中孔单晶金红石TiO2的低倍形貌相以及选区衍射图谱。
图3不同种子下中孔单晶金红石TiO2的XRD图谱；其中，图(a)为0.04mMRuO2作种子时制备得到样品的XRD图谱，图(b)为1mM IrO2作种子时制备得到样品的XRD图谱，图(c)为10mMol SnO2作种子时制备得到样品XRD图谱；X轴为衍射角2θ(度)，Y轴为强度(a.u.)。
图4为不同种子下中孔单晶金红石TiO2的N2吸附曲线及孔径分布图；其中，图(a)为0.04mM RuO2作种子时制备得到样品的吸附曲线及孔径分布图(其中插图表示0.04mMRuO2浓度下制备样品的孔径分布图)，图(b)为10mMol SnO2作种子时制备得到样品的吸附曲线及孔径分布图(其中插图表示10mMol SnO2浓度下制备样品的孔径分布图)。图(a)和图(b)中，X轴为相对压强(P/P0)，Y轴为吸附量(mmol/g)。图(a)和图(b)的插图中，X轴为孔径(nm)，Y轴为孔容积(cm3/g·nm)。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明异质种子中孔单晶金红石TiO2可控生长的制备方法，首先是种子模板制备过程：以一定浓度的RuCl3.xH2O的水溶液为种子溶液，取上述50mL溶液，加入一定量的二氧化硅球(3g～25g)，70℃水浴1h后，用大量去离子水冲洗，在80℃加热套中将种完种子后的二氧化硅球烘干，放置马弗炉中加热(2℃/min升至500℃，保温30min)。TiO2前驱体溶液配制过程：将TiCl4缓慢滴入盐酸中，加入一定量的水，配成一定浓度的TiCl4盐酸水溶液，配溶液过程中需要冰水浴。然后是异质种子中孔单晶TiO2的制备：取一定量的二氧化硅球种子模板(500mg～5g)放入含有前驱体溶液的聚四氟乙烯内胆中，在一定温度的烘箱中水热一定时间，待内胆冷却后，收集二氧化硅球种子模板，用大量去离子水冲洗，在80℃加热套中干燥，收集，放入一定浓度NaOH水溶液中一定温度下水浴1h，刻蚀二氧化硅球种子模板，离心收集中孔TiO2样品，用去离子水和乙醇分别清洗2～3次，收集并干燥样品。同时，异质种子还可以选择SnO2或IrO2，制备过程与上述类似，只是种子溶液选用IrCl3.xH2O的水溶液，或种子溶液选用SnCl2的乙醇溶液或水、乙醇的混合溶液。其中，具体的特征在于：
1、反应所用TiCl4为商用化学纯溶液，二氧化硅球种子模板为直径50nm左右的SiO2小球。
2、反应釜材质为不锈钢、铝合金、铜和钽的一种，内胆为聚四氟乙烯和高密度聚乙烯的一种。
3、所述种子溶液浓度：对于RuCl3.xH2O水溶液或IrCl3.xH2O水溶液，其浓度为0.02mM～10mM；对于SnCl2溶液，其浓度为1mM～30mM，SnCl2溶液中水和乙醇的体积比为0～1之间。
4、刻蚀模板过程中，所用NaOH水溶液的摩尔浓度为1M～5M，水浴温度60～90℃。
5、所述放入烘箱加热处理时，加热温度为100～300℃，加热时间为2h～48h。
6、所述用去离子水清洗后烘干时，烘干温度为60～100℃。
7、在用RuO2作种子时，不同浓度下都可以得到中孔单晶金红石TiO2，样品的尺寸在500nm～900nm之间，不同浓度的种子助催化剂单载量差别导致测试光催化性能会有差别；同样，采用SnO2或IrO2作种子时，可得到形貌相似的中孔单晶金红石TiO2。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例
本实施例中，以RuO2作为异质种子制备中孔单晶金红石TiO2为例：
种子模板制备过程：取3g密堆积的SiO2球模板放入50mL摩尔浓度0.04mM的RuCl3水溶液中，水浴70℃1h，然后取出二氧化硅球种子模板用大量去离子水冲洗，放入80℃加热套中干燥；之后，放置马弗炉中500℃保温30min，获得含异质种子的二氧化硅球种子模板。
配制TiCl4前驱体：1.64mL的TiCl4缓慢滴入292mL浓度为37wt％的浓盐酸中(冰水浴)，然后加入去离子水至1L，混合均匀。
制备中孔样品：取上述前躯体溶液40mL，放入聚四氟乙烯内胆中，加入80mg的NaF作为形貌控制剂，加入500mg二氧化硅球种子模板，将上述聚四氟乙烯内衬密封入不锈钢外套中，烘箱加热至200℃保温12h。待冷却至室温，取聚四氟乙烯内衬中的模板颗粒用去离子水进行冲洗、80℃干燥后，投入到100mL摩尔浓度2M的NaOH溶液中，80℃水浴保温1h，对模板进行刻蚀。刻蚀完成后，用去离子水和乙醇分别离心清洗2～3次，干燥收集样品。
以IrO2或SnO2作为种子制备中孔单晶金红石TiO2的过程与之类似。
图1展示了RuO2、IrO2、SnO2作种子制备的中孔单晶金红石TiO2的SEM照片，表明样品为多孔结构，单晶金红石TiO2样品的晶粒尺寸在400nm～900nm之间。
图2展示了RuO2、IrO2、SnO2作种子制备的中孔单晶金红石TiO2的TEM照片，衍射斑点表明样品为单晶结构，形貌图可看出孔结构贯穿于样品内部，表面为{111}晶面暴露。
图3展示了RuO2、IrO2、SnO2作种子制备的中孔单晶金红石TiO2的XRD图谱，表明样品为金红石相。
图4展示了RuO2和SnO2作种子制备的中孔单晶金红石TiO2的N2等温吸附曲线及孔径分布曲线，表明样品含有丰富的孔结构，孔径分布表明样品的孔径大约为50nm与二氧化硅球种子模板尺寸一致。
实施例结果表明，本发明通过湿化学过程以四氯化钛作为前驱体，含有异质种子的二氧化硅球作为模板，水热生长具有特定晶面暴露的金红石二氧化钛，刻蚀模板后得到含异质种子的中孔单晶金红石二氧化钛，能够实现异质种子外延生长助催化剂，解决了催化剂与助催化剂界面接触质量较差，光催化效率较低的问题。与传统种子模板法不同，本发明将四氯化钛前驱体和含异质种子二氧化硅模板装入反应釜中，经加热处理，刻蚀后得到特定晶面暴露的中孔单晶金红石二氧化钛。

Claims (10)

1.一种异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，以四氯化钛盐酸溶液作为前驱体，商用氟化钠作为晶面控制剂，选择同样为金红石型的二氧化钌、二氧化锡或二氧化铱作为异质种子，具体过程如下：
(1)取氯化钌水溶液或氯化铱水溶液为种子溶液，或者取氯化亚锡的乙醇溶液或水、乙醇混合溶液为种子溶液，加入二氧化硅球，制备含异质种子的二氧化硅球种子模板；
(2)将前驱体、氟化钠和二氧化硅球种子模板放入反应釜中，前驱体体积为20ml～60ml，氟化钠和二氧化硅球种子模板的质量比例为(0.1～1)：(0.5～20)，反应釜密封后，放入烘箱加热处理，取出反应样品，用去离子水清洗并烘干，刻蚀模板后，用去离子水和乙醇分别清洗并烘干，得到{111}晶面暴露的含不同异质种子的中孔单晶金红石二氧化钛，异质种子既作为制备过程中的形核位点，又作为光催化测试过程中的助催化剂。
2.按照权利要求1所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，所述的前驱体为商用化学纯四氯化钛溶液，所用的二氧化硅球直径为5～250纳米。
3.按照权利要求1所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，所述的反应釜材质为不锈钢、铝合金、铜和钽的一种，反应釜的内胆为聚四氟乙烯和高密度聚乙烯的一种。
4.按照权利要求1所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，所述的四氯化钛盐酸溶液中，盐酸的摩尔浓度为0.05M～5M，四氯化钛的摩尔浓度为0.01M～1M；所述的氯化钌水溶液或氯化铱水溶液中，氯化钌或氯化铱的摩尔浓度为0.001mM～0.1M；所述的氯化亚锡的乙醇溶液或水、乙醇混合溶液中，氯化亚锡的摩尔浓度为0.001mM～0.1M，乙醇与水的体积比在0～1之间。
5.按照权利要求1所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，优选的：所述的四氯化钛盐酸溶液中，盐酸的摩尔浓度为1M～5M，四氯化钛的摩尔浓度为0.01M～0.1M；所述的氯化钌水溶液或氯化铱水溶液中，氯化钌或氯化铱的摩尔浓度为0.02mM～10mM；所述的氯化亚锡的乙醇溶液或水、乙醇混合溶液中，氯化亚锡的摩尔浓度为1mM～30mM，乙醇与水的体积比在0～1之间。
6.按照权利要求1所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，所述的放入烘箱加热处理时，加热温度为100～300℃，加热时间为2h～48h。
7.按照权利要求1所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，所述的用去离子水清洗后烘干时，烘干温度为60～100℃。
8.按照权利要求1所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，所述的刻蚀模板时，采用NaOH水溶液的摩尔浓度为1M～5M，在水浴温度60～90℃下刻蚀0.5～2h。
9.按照权利要求1所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，不同浓度异质种子所制备的中孔单晶金红石二氧化钛的样品晶粒尺寸为300nm～900nm，孔径在2到50纳米之间，孔道贯穿于样品内部，表面为{111}晶面暴露。
10.按照权利要求1所述的异质种子中孔单晶金红石二氧化钛可控生长制备方法，其特征在于，制备二氧化硅球种子模板时，种子溶液和二氧化硅球在60～80℃水浴保温0.5～2h，然后用去离子水冲洗，在70～90℃加热套中将种完种子后的二氧化硅球烘干，放置马弗炉中450～550℃保温20～40min。
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