类海胆形二氧化钛纳米晶的制备及生长过程研究*

王 东，刘玉芳，张 旭

（哈尔滨师范大学化学化工学院，黑龙江哈尔滨150025）

类海胆形二氧化钛纳米晶的制备及生长过程研究*

王 东，刘玉芳，张 旭*

（哈尔滨师范大学化学化工学院，黑龙江哈尔滨150025）

用水热法制备了由纳米棒自组装生长的类海胆形状的TiO2纳米晶，所得产物经X射线粉末衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征，证实了类海胆形状微结构是由纳米棒组成的。根据不同反应时间得到的产物形貌推测了类海胆形状微结构的形成过程。

类海胆形；二氧化钛；纳米晶；生长过程

二氧化钛（TiO2）因其具有高催化活性、良好的化学稳定性和无毒价廉等优点而成为备受关注继而广泛研究的光催化材料之一，显示出广阔的应用前景[1-4]。TiO2的制备方法有很多，已报道的有气相法[5]、溶胶-凝胶法[6-8]、微乳液法[9，10]、水热合成法[11]等，其中水热法因为工艺简单、成本较低，所以应用最为广泛。鉴于纳米材料的形貌在一定程度上对其性能有影响，所以科研工作者们竭尽所能制备了多种形貌的纳米TiO2期望其能在更多的领域得到应用。

本实验以C16H36O4Ti（钛酸四丁酯）和H2O2为反应物，调节溶液至酸性，用水热法合成了由纳米棒自组装生长的类海胆形TiO2纳米晶，并分析了其生长过程。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

本次试验中所用的钛酸四丁酯、H2O2、乙醇和HAc均为分析纯。

DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱；TGL-16C型台式离心机；BS-2005型电子分析天平。

1.2 类海胆形TiO2纳米晶的合成

取适量C16H36O4Ti置于30mL乙醇中混合均匀，向其中加入H2O2搅拌，溶液迅速变成亮黄色，然后用HAc调节溶液pH值至酸性，搅拌一段时间后，将反应液转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜内，于120℃下加热12h。待反应完毕自然降温后，产物用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3次，在80℃下加热干燥10h，最后得到白色粉末。

1.3 产物的表征

用X射线粉末衍射仪（XRD，RINT2000,日本理学）分析产物的物相和组成。用扫描电子显微镜（SEM，Hitachi SU70，加速电压15kV）观察产物的形貌、尺寸及分散情况。

2 结果与讨论

2.1 产物的结构与形貌表征

图1为所制备的产物的XRD图。

图1 所制备的产物的XRD图Fig.1 XRD pattern of the as-prepared product

经与标准卡片（JCPDS No.21-1272）对比，所有的衍射峰与标准卡片上的锐钛矿相TiO2的衍射峰相吻合，从而证明合成的产物是纯的锐钛矿相TiO2。

图2为所制备的产物的扫描电镜图。

图2产物的扫描电镜图Fig.2SEM images of product:（a）lots of product,（b）an individual product

图2 a是大量产物的全景图，可以看到产物的形状类似海胆，大小较均一。图2b是单个产物的电镜图，可看出其是由多个纳米棒组成的，棒长约500nm，直径约40nm。

3 类海胆形TiO2纳米晶的生长过程研究

为研究类海胆形TiO2纳米晶的生长过程，在保持其它反应条件不变的情况下考察了不同反应时间得到的产物的形貌。图3a是反应时间为1h时得到的产物的电镜照片；图3b是反应时间为2h时得到的产物的电镜照片。

图3 产物的电镜照片Fig.3 FE-SEM images of product obtained from different reaction times by keeping the other conditions unchanged:（a）1 h,（b）2h

由图3可看出，此时已有部分产物的表面生长出长短不一的棒，还有些产物尚未生长纳米棒。由图可知，此时大多数产物的形貌与3h得到的产物形貌相似，只有很少量的产物的形貌没有生长完全。由此推出3h是最佳反应时间。

图4是类海胆形TiO2纳米晶的生长过程示意图。

图4 类海胆形TiO2纳米结构的生长过程示意图

Fig.4 Schematic diagram of growth process of urchin-like

TiO2nanocrystals

反应之初（1h前）产物呈不规则球形，随着反应时间的延长在球体表面开始生成一些凸起并慢慢地发展成纳米棒。继续延长反应时间至2h，已经有大部分产物形成类似海胆形状，只有小部分未生长完全。反应时间为3h时所有产物均长成类似海胆形状。

4 结论

用水热法成功地制备了由纳米棒自组装生长的类海胆形TiO2纳米晶。产物形貌尺寸均一，纳米棒长约500nm，直径约40nm。XRD表征结果证明产物是纯的锐钛矿相TiO2。通过调控反应时间研究了产物的形貌演变过程，发现类海胆形纳米晶是由类球形产物的表面逐渐形成凸起，随着反应时间的延长凸起逐渐长大形成纳米棒，最终形成类海胆形结构。

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Preparation of urchin-like titanium dioxide nanocrystals and investigation on its growth process*

WANG Dong，LIU Yu-fang，ZHANG Xu
（College of Chemistry&Chemical Engineering,Harbin Normal University,Harbin 150025,China）

Titanium dioxide TiO2nanocrystals composed of lots of nanorods were prepared by a facile hydrothermal method.The as-prepared product was characterized by X-ray diffraction（XRD）and scanning electron microscopy（SEM）,it is confirmed that the urchin-like structures was composed of nanorods.The growth process of the urchin-like TiO2nanocrystals was depicted on the grounds of the time-dependent experiments.

urchin-like；titanium dioxide；nanocrystals；growth process

O614.41

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20151216

2015-09-28

哈尔滨市科技局青年创新人才资助项目（No.2010RFQXS0 71）

王东（1990-），男，在读硕士研究生，研究方向：无机化学。

张旭（1971-），女，教授，博士，材料化学。