板钛矿(Brookite)二氧化钛的合成

学术   2024-10-21 10:18   北京  


J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 33, 11223–11233

四方相的TiO2由于合成较为简单,如锐钛矿或金红石相,已经广泛应用于与其性能相关的应用场景。

与此同时,TiO2斜方晶体结构也可以表现出优越的电化学催化、光催化性能,且相比于锐钛矿和金红石,潜力更大。这种晶相称之为板钛矿相,即Brookite。

晶系:斜方,空间群:Pcan, Z:8

晶胞参数:a0=0.5448,b0=0.9184,c0=0.5144

板钛矿相TiO2合成方法:

所有的合成都是在无空气条件下(双排管条件控制气氛和抽真空)合成的。将3g十八烯(ODE)、13-52 mmol 油胺(OLAM)和0.5-2 mmol 油酸(OLAC)装入三颈瓶中,以120°C脱气30 min,然后将混合物在N2氛围下冷却至50°C。此时,加入0.5-2 mmol的四氯化钛(使OLAC/TiCl4的摩尔比为1),并以25°C/min的速率将烧瓶加热至290°C。随着温度的升高,溶液从无色变成淡黄色,变成深棕色,最后变成乳白色。在290°C下加热 30min,反应可以停止,允许快速冷却;或通过注射泵以0.1 mL/min的固定速率加入前述ODE中等摩尔的TiCl4/OLAC混合物(在N2下的分离瓶中制备)的室温原料前体溶液。最大的纳米棒是通过向初始混合物中注入20 mmol的四氯化钛获得的。


合成完成后,在空气中进行纳米晶体的提取/纯化过程。加入丙酮(或2-丙醇),然后离心(5000 rpm)分离,然后用丙酮彻底洗涤以去除前驱体、表面活性剂和ODE。纯化后的纳米晶体最终分散到非极性溶剂中,如氯仿、甲苯或己烷,提供稳定的光学清晰的胶体溶液或悬浮液,这取决于纳米棒的平均大小。如有必要,通过将2-丙醇添加与低速离心(2000-3000 rpm)相结合,进行单次选择性沉淀步骤,可以轻松消除小得多(<8-10 nm)和不规则纳米颗粒的轻微样品污染,然后丢弃上清液。

TEM

低倍和高倍放大(分别为左和右)在低OLAM/OLAC比下合成的二氧化钛纳米晶体。烧瓶含0.5 mmol四氯化钛、0.5 mmol OLAC、13 mmol OLAM和3gODE,缓慢加热至290°C,并在此温度下保存30 min a).随后,在290°C条件下,以0.1 mL/min的速率加入不同量的等摩尔TiCl4/OLAC混合物:(b) 2 mmol ; (c) 8 mmol ; (d) 20 mmol

低倍和高倍放大(左和右)在高OLAM/OLAC比率下合成的二氧化钛纳米晶体概述。烧瓶含0.5 mmol四氯化钛、0.5 mmol OLAC、52 mmol OLAM和3gODE,缓慢加热至290°C,并在此温度下保存30 min (a).随后,在290°C条件下,以0.1 mL/min的速率加入ODE中不同量的等摩尔TiCl4/OLAM混合物: (b) 2 mmol ; (c) 12 mmol ; (d) 20 mmol .

XRD

Raman

HRTEM

Proposed Seed-Catalyzed Phase-Changing Mechanism for the Formation of Brookite Nanorods

Correlation histogram between nanocrystal number (#) vs. nanocrystal volume


在该机制中,最初产生的锐钛矿种子触发非均匀成核,并促进纳米棒的后续生长。溶液中单体化学势的时间变化、相关二氧化钛多态结构稳定性的大小依赖性以及种子上成核的活化势垒降低被认为是关键作用。

参考文献:J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 33, 11223–11233



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