具有高活性表面的纳米晶体

北京大学齐利民教授的研究小组利用溶剂热合成方法成功制备出具尺寸均一,形状规整并且具有高活性表面的锐钛矿结构的二氧化钛纳米晶体;晶体的大小及不同晶面的比例均可通过改变制备的条件进行调节。

  

合成具有高活性暴露面的微纳米颗粒近年来受到人们的广泛关注,因为这种表面暴露有高活性晶面的颗粒往往呈现出新奇的表面依赖性质,并且在催化、传感及能源转换等领域有着广阔的应用前景。具有四方晶体结构的锐钛矿型二氧化钛是一种重要的半导体材料,由于其{101}晶面较之{001}{100}晶面具有更低的表面能,因而锐钛矿型二氧化钛颗粒在热力学平衡条件下的形貌为8{101}晶面占据主导地位的截角八面体。鉴于{001}{100}晶面的高反应活性,合成出由高活性{001}{100}晶面占据主导地位的锐钛矿型二氧化钛颗粒成为人们追求的一个重要目标。

2008Lu等人首次报道借助于F离子对锐钛矿型二氧化钛{001}晶面的稳定作用可以合成出具有高比例的{001}活性暴露面的锐钛矿型二氧化钛片状微晶,这一突破性进展迅即在国际上掀起了一个合成具有高比例活性暴露面的锐钛矿型二氧化钛的热潮。迄今为止,尽管在获得高比例{001}活性暴露面方面取得了巨大成功,人们在获得高比例{100}活性暴露面方面只取得了有限的进展,而如何获得仅仅暴露有{100}{001}活性面的锐钛矿型二氧化钛长方体颗粒则是人们面临的一项挑战。

最近,来自北京大学的科学家们发明了一种简单高效的溶剂热合成方法。他们以醋酸作为溶剂并以离子液体[bmim][BF4]作为形貌调控剂,成功合成出了大小均一且形貌规整的、同时具有{100}{001}活性暴露面的锐钛矿型二氧化钛长方体颗粒。其长度可在60–830 nm之间人为调节,并且{100}{001}活性面的相对比例也可在一定范围内进行调变。所得到的二氧化钛长方体颗粒呈现出很高的晶相稳定性和良好的光催化活性。这种形貌规整的均匀长方体颗粒可以作为模型体系来进一步研究锐钛矿型二氧化钛的晶面反应活性以及非球形颗粒的自组装行为。研究人员认为,这种基于醋酸溶剂的简单合成方法有可能推广应用于形貌规整且具有高活性暴露面的其它功能性氧化物颗粒的可控制备。

 

 X. Zhao, et a1., Adv. Funct. Mater. 2011; DOI: 10.1002/adfm.201100629.

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