一种二氧化钛包覆层状氧化物二维核壳材料的制备方法
成果类型:: 发明专利
发布时间: 2022-10-27 10:07:21
本发明公开了一种制备层状双金属氧化物(LayedDoubleOxides ,LDO)为核,外面包覆二氧化钛(TiO2)的二维核壳结构复合材料的方法。首先通过溶剂环境调控层状双金属氢氧化物(LayedDoubleHydroxides,LDH)金属层板上羟基的配位能力,使钛源前驱体包覆生长在二维LDH材料表面形成无定型TiO2;进一步经过高温处理,LDH失水转变为LDO,无定型TiO2转化为锐钛矿TiO2,最后得到结构规整的LDO外面包覆TiO2(LDO@TiO2)的二维核壳结构复合材料。壳层的TiO2纳米片具有优异的光催化性能,核层的LDO具有较好的催化或吸附性能,提升了壳层TiO2纳米片的性能。本发明提供了一种在LDH模板上生长TiO2纳米片的方法,得到的二氧化钛/金属氧化物纳米片材料,可广泛应用于光催化分解水,污染物吸附、降解等领域。
一种二氧化钛包覆层状氧化物二维核壳材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:(1)将制备好的0.2‑2gLDH材料分散在25‑1000mL由水、乙醇和乙腈体积比为(0.05‑0.15):(1.0):(0.05‑0.15)组成的混合溶液中;(2)室温条件下,在上述混合溶液中加入0.1‑10mL钛源前驱体溶液,搅拌5‑30min后放入反应釜中,进一步在70‑120 °C下反应2‑24h;(3)将得到的固体产物洗涤、干燥,置于高温炉中,在500‑900°C下焙烧1‑6h得到LDO@TiO2二维核壳材料。
在无机合成领域,核壳结构纳米材料以其优异的物理化学性能引起了研究者的广泛关注。核壳结构由位于中心的核体和包覆在外部的壳层组成,壳层材料通过强的共价键或弱相互作用包覆在核体外层,从而形成有序组装结构的复合材料。与单一组分的材料相比,核壳结构材料整合了核层、壳层两种材料的性质。相比于两种物质的简单混合,内外层物质空间上紧密联系,具有结构和功能互补的协同特性。因此具有很大的应用前景。以二氧化钛(TiO2)这种典型的半导体材料为例:为了克服其具有较宽禁带宽度和较快载流子复合速率的缺点,制备TiO2核壳结构复合材料可以大大拓展其在光催化领域的应用性能。二维纳米材料近年来因其独特电子特性和较高比表面积的特点也得到了材料合成领域的广泛关注。二维层状材料中,层内原子一般通过共价键等强相互作用键合,层间原子以静电作用等弱相互作用连接,形成c方向上单层或者几层的稳定结构,因此常表现出其他维度化合物不具有的特异光、电、磁、力学性能。层状双金属氢氧化物(LayedDoubleHydroxides ,LDH)是一类阴离子型层状材料,常表现为典型的六边形片状结构,其直径大小可以从几百纳米到几十个微米,厚度从几十纳米到几百纳米不等。LDH由主体层板和层间客体分子构成,其中主体层板原子以共价键方式结合,主体层板与客体分子间主要通过库伦力,氢键等弱相互作用结合。LDH主体层板表面富含的羟基易于吸附水形成极性较弱的羟基,这种由二维刚性层板提供的弱极性环境适用于一些特定的微合成反应。LDH在进一步发生的合成反应中既提供生长的环境,又可以通过控制LDH的组分和形貌来调控复合材料的形貌和成分。TiO2材料具有高的稳定性和光催化活性,且价格低廉,因此结合二维材料和核壳材料的优势,制备基于TiO2的二维核壳结构材料具有很大的应用前景。复合材料具有纳米片结构表面反应位点高,核壳材料功能多样化的优点,可以极大拓展TiO2的相关性能及应用领域。
河北师范大学是一所具有百年历史和光荣传统的省属重点大学。学校起源于1902年创建于北京的顺天府学堂和1906年创建于天津的北洋女师范学堂。1996年6月,原河北师范大学、河北师范学院与创建于1952年的河北教育学院、创建于1984年的河北职业技术师范学院合并,组建成新的河北师范大学。校友中有老一代革命家邓颖超、刘清扬、郭隆真、杨秀峰、康世恩、荣高棠等,有学界名人梁漱溟、张申府、汤用彤等,有中科院院士严陆光、郝柏林等,也有许绍发、蔡振华等一批体育界精英。新中国成立以来,学校共为国家培养了20余万名专业人才。 学校新校区占地1829亩,馆藏图书340.64万册。学校现有在职教职工2856名,其中专任教师1577人,教授405人,副教授994人,中国科学院院士1人,省级以上各类优秀专家106人,博士研究生导师108人,硕士研究生导师578人。在校本、专科生36371人,研究生4191人,成人教育学生14760人。
有益效果在于:本发明实现了微米级别TiO2纳米片的制备,并且LDH模板转化形成的不同类型LDO与TiO2功能互补,适用于多种类型材料的合成。制备方法简单高效,可应用于大规模批量化生产。本发明提供了一种在LDH模板上生长TiO2纳米片的方法,所得到的二氧化钛/金属氧化物纳米片材料,可广泛应用于污染物降解、吸附和光催化等领域。
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