四面纳米棒锐钛矿型二氧化钛单晶活性大比例的

化工专业英语 姓 名琚亚娜 班 级工艺1221 学 号201221210122 四面纳米棒锐钛矿型二氧化钛单晶活性比例大的{100}晶面 Jianming Li and Dongsheng Xu Received in Cambridge, UK 13th November 2009, Accepted 7th January 2010 First published as an Advance Article on the web 23rd January 2010 DOI 10.1039/b923755k 在碱性溶液中，四面纳米棒单晶锐钛矿型TiO2具有较高的能量比例大的{100}晶面能和碱钛酸水热合成碳纳米。 近年来，深化的探讨表明，因为TiO2广泛应用光催化剂，分解水，染料敏化太阳能电池中，光致变色设备和气体检测1-4。特殊是已经毫无疑问地证明全部的二氧化钛晶体之间锐钛矿型是好的应用5,6。已表明锐钛矿型TiO2的固有性质取决于尺寸和形态，特殊是其表面7-9。依据Wulff结构10,11，一个基本的锐钛矿结晶的平衡晶体形态特别类似于自然存在的锐钛矿型矿物，是一个封闭八{101}晶面和两个{001}晶面的形态截断双锥结构，并且露出的{101}晶面为到94％以上（反应路途图1（a））。最近，很多人用较高的表面能量氟固定微米大小的锐钛矿型晶体表{ 001 }面的合成{001}（方案1（b））12。从那时起，在很大程度上努力进行截断13,14，截角八面体锐钛矿型颗粒的大小15和合成方法16，17（流程1，路径2）。然而，四个定义明确从未合成的横向主动{ 100 }面的锐钛矿型TiO2晶体（方案1（c））。理论探讨表明，锐钛矿{100}晶面较为活跃，因此表现出比{001}和{101}晶面较高的催化活性。17-19巴纳德等人20，21已经从理论上证明白羟基能降低{100}晶面的表面自由能。但这过程从未在试验中得到了验证，因为在基本条件下可用钛前体是特别活泼的。锐钛矿型TiO2单晶{100}晶面的合成要承受高能量仍旧是一个最大挑战。 在此，我们首先报告一个浅显的水热法合成四面纳米棒（TFNRs）锐钛矿二氧化钛{100}晶面的主要表面能。这一过程涉及在P25的NaOH碱性溶液中22第一水热反应和前体水热转化为锐钛矿TiO2的钠钛酸盐纳米管的形成。传统上，形成钠基钛酸酯须要纯锐钛矿型TiO2提前交换碱离子与质子形成H-钛酸盐。23-25这也是首次对钠钛初级粒子形成锐钛矿型TiO2单一变更的报道。 通常状况下，钠-纳米管的直径为5〜20nm和长为几个微米。X射线光谱能量色散表明，钠与钛的原子比大约是18％（在ESI图S1）。图1表明产物的电子显微镜（SEM）图像是由扫描钠钛酸盐纳米管的水热反应绘制得出来表明四面纳米棒的形态。全部的颗粒具有尖锐边缘和相邻面具有相同宽度来精确定义侧面相互垂直（图1中的插图（b））。图2表明钠钛酸盐初级颗粒和TFNR颗粒的X-射线衍射。图2（b）的衍射峰值与锐钛矿型TiO2晶体结构完全匹配（四方，I41/amd，JCPDS21-1272），说明全部的N钠-钛粒子已被转移到锐钛矿型TiO2。 通过透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）更加具体的显示出TFNRs的结构信息。图3（a）中通过电子衍射图测量与轴平行的方向表示该杆沿轴的方向增长。（100）和（001）之间的角度为90度，沿[010]方向投影{100}与TFRN锐钛矿二氧化钛的模型一样完全包围（图3（b））。图3（c）表明白高辨别率TEM图像来自图3（a）所示的矩形。因分别对应于（101），（101）和（002）的锐钛矿相三套晶格条纹的距离分别为0.35，0.35和0.48 nm。通过测量穿过平面的钛，表面呈扁平杆的厚度认为是恒定的（电子束照耀下）（图S2（a）和图2（b）中ESI）。为了进一步证明从[010]带轴[110]带轴TFNR旋转相同的表面杆。如该图所示3（d）中杆的直径比图3（a）大1.4倍。在ESI中杆表现出尖锐的边缘和钛含量对称尖锐的峰（图S2（c）和图2（d）。SEAD模式插图的（图 3（d））和高辨别图像（图3（f）段）都证明白沿一个方向（001）增长的TFNR具有单晶结构的锐钛矿相，它沿着模型[110]预料和{100}晶面封闭的TFNR的方向完全相符合（图3（e））。在上述视察和结构分析的基础上，我们得出结论所制备的TFNRs表面的侧向刻面主要是{100}晶面。 在探讨钠钛酸的转变过程中碳纳米管对TFNRs锐钛矿型TiO2，视察在200℃下开展具体的形态演化的探讨中对时间依靠性（图S3在ESI），很多颗粒起先渐渐长大，而钠钛酸盐纳米管的直径和长度渐渐削减。当水热反应时间大于6小时后，纳钛酸完讲全转化为锐钛矿TFNRs二氧化钛。此外，我们还有方法来确定反应液的pH值。水热反应之前，溶液的pH为10.1。当反应结束1小时后，将得到含有钠钛酸和锐钛矿相的产品溶液的pH为10.9 图 S4a in ESI. 人们发觉，pH值会随反应时间的渐渐增加而最终达到11.8。此外，，假如在200℃的乙醇浴中钠-钛酸初级粒子处理24小时，不会发觉锐钛矿型。图. S4b in ESI. 。 方案1锐钛型形态的原理图 （一）水晶形态的{101}面的平衡比例; （二）八面体形态的{001}面的截断比例; （三）四面纳米棒有四个侧面以及{100}面。 图1，四面纳米棒SEM图，像图1（a）低、（b）高。 （b）中的插图为单TFNR的顶视图。 图2 X-射线衍射图（a）钠钛初级粒子和（b）TFNR产品。 经过水热处理和变更钠钛酸盐纳米管将进行解散和成核。在水热条件下依据公式（1）钠基钛酸盐纳米管在反应起先表面渐渐分解和析出的TiOH4的颗粒，羟基和钠离子. 图3（a）典型TEMimage沿[010]方向变更;插图相应的SEAD模式。 （b）一个志向的TFNR有四个横向{100}晶面，沿[010]方向投射模式。 （c）（a）所指出的拍摄高辨别图像矩形。 （d）TFNR和TEM图像沿[1〜10] 相同的方向视察，插图相应的电子衍射选图。 （e）一个志向的TFNR有四个横向{100}晶面，沿[110]方向投射模式。 （f）（c）实行高辨别图像显示矩形。 然后，依据公式（2）通过脱水在Ti（OH）4的片段进行Ti-OH和HO-Ti之间重新排列反应，以便共享边缘，形成锐钛矿型结晶核。随后，当TiOH4片段扩散到其表面，二氧化钛晶核渐渐长大形成纳米TiO2。由于反应产物有不同的吸附稳定性，将吸附物吸附到肯定晶面比其他反应物更剧烈，降低了结合面的表面能并阻碍了晶体的生长或某些晶面的形成。巴纳德等20，21，在碱性条件下，已经得出金红石表面结构和能量及发觉了选择低指数的锐钛矿面，，O型终止（100）面下表面自由能比O型终止（101）面和（001）面低。我们也信任在此过程中从钠钛酸盐纳米管渐渐释放出的氢氧根离