一种单晶二氧化钛的制备方法
专利名称：一种单晶二氧化钛的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种单晶二氧化钛材料，其为由高指数(105)晶面组成的八面体结构， 此产品在环境保护和清洁能源领域有着非常重要的用途。
背景技术：
能源短缺和环境污染是目前人类急需解决的两大问题。一方面我们需要节能，减 少能源的消耗，并且尽可能的使用可再生的清洁能源；另一方面我们必须减少污染物的排 放，消除环境污染。太阳光是清洁能源，如何把太阳光转化成我们方便使用的能源以及利用 太阳光消除环境污染成为研究的热点。半导体功能材料在吸收和利用太阳光方面有着独特 的优势。例如利用锐钛型氧化钛可以制成染料敏化电池，把太阳光转换成我们方便使用的 电能。锐钛型TiO2在光催化降解污染物领域也有着非常重要的用途。当一定波长的光照射 TiO2晶体时，如果光子的能量大于TiO2的禁带宽度，TiO2吸收光子后，其价带上的电子受光 激发就会跃迁到导带，从而在导带形成光生电子，在价带上形成光生空穴。光生空穴具有很 高的反应活性，可以将有机污染物矿化为(X)2和H2O,从而达到消除污染物的目的。锐钛型TW2无论是用于燃料敏化太阳能电池，还是应用于光催化剂，目前都存在 效率低下的问题，这一方面与锐钛型TiO2的晶体结构有关，另一方面还与晶体暴露的晶面 有关。然而，从结晶化学的角度讲，晶体生长需要满足最低表面能原则，高活性面往往在生 长过程中快速消失。通常所制备的锐钛矿型氧化钛单晶的晶面主要由热力学稳定的(101) 面构成。所以，TiO2晶体的反应活性都比较低。控制锐钛型TiO2的晶面生长，我们做了大量 的研究工作，利用湿化学的方法合成具有大量(001)面暴露的锐钛型氧化钛(Anatase TiO2 single crystals with a large percentage of reactive facets. Nature. 2008. 453, 638—641；Solvothermal Synthesis and Photoreactivity of Anatase TiO2 Nanosheets with Dominant {001} Facets. J. Am. Chem. Soc. 2009.131:4078-4083)。高指数晶面 具有独特的原子结构，具有更多的台阶以及更多的不饱和键，这些结构都可以作为反应的 活性点。本发明利用TiCl4气相氧化制备出具有高指数晶面的氧化钛，合成方法简单，原材 料选择广泛，制备成本低廉，非常适合放大进行工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于开发一种制备成本低廉，具有高指数晶面的单晶氧化钛颗粒的 制备方法。一种单晶二氧化钛的合成方法，包含如下步骤
将0. 1 0. 6 L/min的载气通入70 140° C的钛源前驱体中，充分混合的载气与所 述钛源前驱体的蒸气通过反应器进入到800 1500° C的管式炉中；反应10 60分钟， 得到单晶二氧化钛颗粒；
所述载气是氮气、氩气和氧气中的一种或几种。
所述钛源前驱体是四氯化钛。所述反应器具有螺旋结构，且其螺旋直径略小于所述管式炉加热管的直径。所述单晶二氧化钛为锐钛型结构，以双金字塔形成的八面体为主；所述八面体的 八个晶面为高指数(105)晶面；所述单晶二氧化钛颗粒大小为1 10微米。与现有的单晶TiO2产品相比，本发明具有以下优点合成过程简单，原材料选择广 泛，成本低廉。
图1是本发明制备方法的流程示意图2是实施例1合成的二氧化钛颗粒的XRD图谱； 图3是实施例1合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片； 图4是实施例2合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片； 图5是实施例3合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片； 图6是实施例4合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片； 图7是实施例5合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用 于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员 根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。实施例1
本发明的单晶二氧化钛的制备方法流程图如图1所示。将氧气除水、纯化，经过转子流 量计计量后(流量为0. 2 L/min)，通入到油浴加热的98° C (70 140° C均可)的TiCl4 中，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定温度(1000° C)的管式炉中，反 应30分钟，在袋滤器中收集颗粒。图2是此样品的XRD衍射图谱。可以看出，此条件下合 成的氧化钛为锐钛型结构，有很少量的金红石颗粒。图3是该样品的扫描电镜照片，可以看 出，单晶氧化钛为八面体结构，表面非常清洁，基本上没有其他杂质存在，颗粒的大小约为 1 2 μ m。实施例2
将氧气除水、纯化，经过转子流量计计量后(流量为0.2 L/min)，通入到油浴加热 (98° C)的TiCl4中，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定温度(800° C) 的管式炉中，反应10分钟，在袋滤器中收集颗粒。图4是该样品的扫描电镜照片，可以看 出，氧化钛颗粒为八面体结构，大小约为1 2μπι，有少量不规则的小颗粒吸附在八面体的表面。实施例3
将氧气(流量为0. 3 L/min)和氮气(流量为0. 2 L/min)除水、纯化，充分混合后，通入 到油浴加热(80° C)的TiCl4中，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定温 度(1000° C)的管式炉中，反应30分钟，在袋滤器中收集颗粒。图5是该样品的扫描电镜 照片，可以看出，氧化钛颗粒为八面体结构，大小为1 2 μ m，有少量不规则的小颗粒吸附在八面体的表面。实施例4
将氧气(流量为0. 2 L/min)和氩气气(流量为0. 2 L/min)除水、纯化，充分混合后，通 入到油浴加热(130° C)的TiCl4中，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定 温度(1000° C)的管式炉中，反应50分钟，在袋滤器中收集颗粒。图6是该样品的扫描电 镜照片，可以看出，氧化钛颗粒为八面体结构，大小为1 2 μ m，有较多的不规则的小颗粒 吸附在八面体的表面。实施例5
将氧气除水、纯化，经过转子流量计计量后(流量为0.2 L/min)，通入到油浴加热 (98° C)的TiCl4*，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定温度(1300° C) 的管式炉中，反应30分钟，在袋滤器中收集颗粒图7是该样品的扫描电镜照片，可以看出， 单晶氧化钛为八面体结构，有较多的不规则的小颗粒吸附在八面体的表面，颗粒的大小约 为1 5 μ m。上述油浴加热的温度在70 140° C之间均可；上述用到的氧气可以用氮气、氩 气或它们三种气体形成的组合所替代。
权利要求
1.一种单晶二氧化钛的合成方法，其特征在于，包含如下步骤将0. 1 0. 6 L/min的载气通入70 140° C的钛源前驱体溶液中，充分混合的载气 与所述前驱体的蒸气通过反应器进入到800 1500° C的管式炉中；反应10 60分钟， 得到单晶二氧化钛颗粒；所述载气是氮气、氩气和氧气中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的单晶二氧化钛的制备方法，其特征在于，所述钛源前驱体是 四氯化钛。
3.根据权利要求1所述的单晶二氧化钛的制备方法，其特征在于，所述反应器具有螺 旋结构，且其螺旋直径略小于所述管式炉加热管的直径。
4.根根权利要求1所述的单晶二氧化钛的制备方法，其特征在于，所述单晶二氧化钛 为锐钛型结构，以双金字塔形成的八面体为主；所述八面体的八个晶面为高指数(105)晶 面；所述单晶二氧化钛颗粒大小为1 10微米。
全文摘要
本发明涉及一种具有高指数晶面的单晶氧化钛的制备方法，即，利用TiCl4气相氧化法制备单晶二氧化钛颗粒，合成的二氧化钛为锐钛型结构，以双金字塔形成的八面体为主，颗粒大小为1～10微米，暴露在外面的晶面主要为(105)晶面。这种具有高指数晶面结构的二氧化钛单晶颗粒在环境科学和新能源领域有着非常重要的用途。
文档编号C30B25/00GK102140687SQ201110054178
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者姜海波, 李春忠, 杨化桂 申请人:华东理工大学
技术领域：
本发明涉及一种单晶二氧化钛材料，其为由高指数(105)晶面组成的八面体结构， 此产品在环境保护和清洁能源领域有着非常重要的用途。
背景技术：
能源短缺和环境污染是目前人类急需解决的两大问题。一方面我们需要节能，减 少能源的消耗，并且尽可能的使用可再生的清洁能源；另一方面我们必须减少污染物的排 放，消除环境污染。太阳光是清洁能源，如何把太阳光转化成我们方便使用的能源以及利用 太阳光消除环境污染成为研究的热点。半导体功能材料在吸收和利用太阳光方面有着独特 的优势。例如利用锐钛型氧化钛可以制成染料敏化电池，把太阳光转换成我们方便使用的 电能。锐钛型TiO2在光催化降解污染物领域也有着非常重要的用途。当一定波长的光照射 TiO2晶体时，如果光子的能量大于TiO2的禁带宽度，TiO2吸收光子后，其价带上的电子受光 激发就会跃迁到导带，从而在导带形成光生电子，在价带上形成光生空穴。光生空穴具有很 高的反应活性，可以将有机污染物矿化为(X)2和H2O,从而达到消除污染物的目的。锐钛型TW2无论是用于燃料敏化太阳能电池，还是应用于光催化剂，目前都存在 效率低下的问题，这一方面与锐钛型TiO2的晶体结构有关，另一方面还与晶体暴露的晶面 有关。然而，从结晶化学的角度讲，晶体生长需要满足最低表面能原则，高活性面往往在生 长过程中快速消失。通常所制备的锐钛矿型氧化钛单晶的晶面主要由热力学稳定的(101) 面构成。所以，TiO2晶体的反应活性都比较低。控制锐钛型TiO2的晶面生长，我们做了大量 的研究工作，利用湿化学的方法合成具有大量(001)面暴露的锐钛型氧化钛(Anatase TiO2 single crystals with a large percentage of reactive facets. Nature. 2008. 453, 638—641；Solvothermal Synthesis and Photoreactivity of Anatase TiO2 Nanosheets with Dominant {001} Facets. J. Am. Chem. Soc. 2009.131:4078-4083)。高指数晶面 具有独特的原子结构，具有更多的台阶以及更多的不饱和键，这些结构都可以作为反应的 活性点。本发明利用TiCl4气相氧化制备出具有高指数晶面的氧化钛，合成方法简单，原材 料选择广泛，制备成本低廉，非常适合放大进行工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于开发一种制备成本低廉，具有高指数晶面的单晶氧化钛颗粒的 制备方法。一种单晶二氧化钛的合成方法，包含如下步骤
将0. 1 0. 6 L/min的载气通入70 140° C的钛源前驱体中，充分混合的载气与所 述钛源前驱体的蒸气通过反应器进入到800 1500° C的管式炉中；反应10 60分钟， 得到单晶二氧化钛颗粒；
所述载气是氮气、氩气和氧气中的一种或几种。
所述钛源前驱体是四氯化钛。所述反应器具有螺旋结构，且其螺旋直径略小于所述管式炉加热管的直径。所述单晶二氧化钛为锐钛型结构，以双金字塔形成的八面体为主；所述八面体的 八个晶面为高指数(105)晶面；所述单晶二氧化钛颗粒大小为1 10微米。与现有的单晶TiO2产品相比，本发明具有以下优点合成过程简单，原材料选择广 泛，成本低廉。
图1是本发明制备方法的流程示意图2是实施例1合成的二氧化钛颗粒的XRD图谱； 图3是实施例1合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片； 图4是实施例2合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片； 图5是实施例3合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片； 图6是实施例4合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片； 图7是实施例5合成的二氧化钛颗粒的扫描电镜照片。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用 于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员 根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。实施例1
本发明的单晶二氧化钛的制备方法流程图如图1所示。将氧气除水、纯化，经过转子流 量计计量后(流量为0. 2 L/min)，通入到油浴加热的98° C (70 140° C均可)的TiCl4 中，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定温度(1000° C)的管式炉中，反 应30分钟，在袋滤器中收集颗粒。图2是此样品的XRD衍射图谱。可以看出，此条件下合 成的氧化钛为锐钛型结构，有很少量的金红石颗粒。图3是该样品的扫描电镜照片，可以看 出，单晶氧化钛为八面体结构，表面非常清洁，基本上没有其他杂质存在，颗粒的大小约为 1 2 μ m。实施例2
将氧气除水、纯化，经过转子流量计计量后(流量为0.2 L/min)，通入到油浴加热 (98° C)的TiCl4中，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定温度(800° C) 的管式炉中，反应10分钟，在袋滤器中收集颗粒。图4是该样品的扫描电镜照片，可以看 出，氧化钛颗粒为八面体结构，大小约为1 2μπι，有少量不规则的小颗粒吸附在八面体的表面。实施例3
将氧气(流量为0. 3 L/min)和氮气(流量为0. 2 L/min)除水、纯化，充分混合后，通入 到油浴加热(80° C)的TiCl4中，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定温 度(1000° C)的管式炉中，反应30分钟，在袋滤器中收集颗粒。图5是该样品的扫描电镜 照片，可以看出，氧化钛颗粒为八面体结构，大小为1 2 μ m，有少量不规则的小颗粒吸附在八面体的表面。实施例4
将氧气(流量为0. 2 L/min)和氩气气(流量为0. 2 L/min)除水、纯化，充分混合后，通 入到油浴加热(130° C)的TiCl4中，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定 温度(1000° C)的管式炉中，反应50分钟，在袋滤器中收集颗粒。图6是该样品的扫描电 镜照片，可以看出，氧化钛颗粒为八面体结构，大小为1 2 μ m，有较多的不规则的小颗粒 吸附在八面体的表面。实施例5
将氧气除水、纯化，经过转子流量计计量后(流量为0.2 L/min)，通入到油浴加热 (98° C)的TiCl4*，鼓泡携带一定量的TiCl4蒸气，通过反应器进入到一定温度(1300° C) 的管式炉中，反应30分钟，在袋滤器中收集颗粒图7是该样品的扫描电镜照片，可以看出， 单晶氧化钛为八面体结构，有较多的不规则的小颗粒吸附在八面体的表面，颗粒的大小约 为1 5 μ m。上述油浴加热的温度在70 140° C之间均可；上述用到的氧气可以用氮气、氩 气或它们三种气体形成的组合所替代。
权利要求
1.一种单晶二氧化钛的合成方法，其特征在于，包含如下步骤将0. 1 0. 6 L/min的载气通入70 140° C的钛源前驱体溶液中，充分混合的载气 与所述前驱体的蒸气通过反应器进入到800 1500° C的管式炉中；反应10 60分钟， 得到单晶二氧化钛颗粒；所述载气是氮气、氩气和氧气中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的单晶二氧化钛的制备方法，其特征在于，所述钛源前驱体是 四氯化钛。
3.根据权利要求1所述的单晶二氧化钛的制备方法，其特征在于，所述反应器具有螺 旋结构，且其螺旋直径略小于所述管式炉加热管的直径。
4.根根权利要求1所述的单晶二氧化钛的制备方法，其特征在于，所述单晶二氧化钛 为锐钛型结构，以双金字塔形成的八面体为主；所述八面体的八个晶面为高指数(105)晶 面；所述单晶二氧化钛颗粒大小为1 10微米。
全文摘要
本发明涉及一种具有高指数晶面的单晶氧化钛的制备方法，即，利用TiCl4气相氧化法制备单晶二氧化钛颗粒，合成的二氧化钛为锐钛型结构，以双金字塔形成的八面体为主，颗粒大小为1～10微米，暴露在外面的晶面主要为(105)晶面。这种具有高指数晶面结构的二氧化钛单晶颗粒在环境科学和新能源领域有着非常重要的用途。
文档编号C30B25/00GK102140687SQ201110054178
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者姜海波, 李春忠, 杨化桂 申请人:华东理工大学
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