本發(fā)明涉及功能性光催化劑材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種制備{100}晶面銳鈦礦相TiO2納米顆粒的方法。

背景技術(shù)：
二氧化鈦（TiO2）由于具有來(lái)源豐富、無(wú)毒、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，受到工業(yè)和科研界的廣泛關(guān)注。近期，銳鈦礦相TiO2被認(rèn)為是最理想的光催化材料之一，被廣泛應(yīng)用于光催化空氣凈化和光催化水處理中。銳鈦礦相TiO2的光催化效率與其尺寸大小、形貌、暴露晶面、分散程度、結(jié)晶性等息息相關(guān)，通常來(lái)說(shuō)，小的顆粒尺寸具有大的比表面積，能吸附較多的有機(jī)物，表現(xiàn)出較高的光催化效率；同樣，顆粒的分散程度越大，越有利于光催化效率的提升；此外，TiO2的形貌直接決定了其對(duì)光的吸收利用以及光的散射，決定了光生電子-空穴的分離效率，一般來(lái)說(shuō)，具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)形貌（如線狀、管狀、棒狀和紡錘體狀等）的TiO2通常表現(xiàn)出較高的光催化效率。值得指出的是，暴露高活性晶面（如{100}或{001}晶面）的銳鈦礦相TiO2能表現(xiàn)出更好的光催化效果。一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)定的銳鈦礦相的TiO2傾向形成少量截角的八面體顆粒，即顆粒由8個(gè)低活性的{101}和2個(gè)高活性的{001}晶面構(gòu)成。其中，{101}晶面所占的比例高達(dá)94%，主要由于高活性晶面由于其活潑性高、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，極易在材料的生長(zhǎng)過(guò)程中消失。因此，銳鈦礦相TiO2在生長(zhǎng)過(guò)程極易暴露低活性晶面的{101}晶面，形成八面體顆粒。近期，采用氟離子作為穩(wěn)定劑，制備出暴露大量高活性{001}晶面的銳鈦礦相TiO2微米顆粒，并證實(shí)其具有較高的光催化活性。隨后，一系列研究工作都開展在如何制備大量暴露{001}晶面的銳鈦礦相TiO2。這些工作包括如何增大顆粒的截角程度、減小顆粒的粒徑以及合成方法的改進(jìn)等。有理論計(jì)算表明，{100}晶面相比于{101}晶面具有較高的晶面能，并有部分學(xué)者認(rèn)為其晶面能還高于{001}晶面。然而，關(guān)于暴露大量高活性{100}晶面的銳鈦礦相TiO2納米顆粒的合成則報(bào)道很少。目前制備暴露大量高活性{100}晶面的銳鈦礦相TiO2納米顆粒的方法為采用鈦酸鈉納米管為前驅(qū)體，直接對(duì)其水熱轉(zhuǎn)化，以制備出具有暴露大量{100}晶面的四方柱狀銳鈦礦相TiO2納米棒。上述方法可以制備出具有暴露大量{100}晶面的四方柱狀銳鈦礦相TiO2納米棒主要由于鈦酸鈉納米管相對(duì)穩(wěn)定以及它在分解的過(guò)程中可以逐漸釋放出氫氧根離子，起到穩(wěn)定{100}晶面的作用。上述制備得到的銳鈦礦相TiO2顆粒為四方柱狀形貌，且顆粒的粒徑均大于50納米。因此，合成尺寸小于50納米的暴露活性{100}晶面銳鈦礦相TiO2納米顆粒仍舊是一個(gè)技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種制備{100}晶面銳鈦礦相TiO2納米顆粒的方法，可以制備出粒徑尺寸小于15納米的暴露活性{100}晶面的銳鈦礦相TiO2納米顆粒。本發(fā)明所提供的一種制備{100}晶面銳鈦礦相TiO2納米顆粒的方法，包括：將鈦源通過(guò)水解反應(yīng)得到水合TiO2沉淀；將所述水合TiO2沉淀分散在堿性雙氧水溶液中進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到暴露活性{100}晶面的銳鈦礦相TiO2納米顆粒；所述堿性雙氧水溶液的pH值為8至13。優(yōu)選的，在雙氧水溶液中添加堿或在堿溶液中添加雙氧水得到所述堿性雙氧水溶液。優(yōu)選的，所述堿性雙氧水溶液的pH值為8.5至10.5。優(yōu)選的，所述鈦源選自乙醇鈦、丙醇鈦、鈦酸四丁酯、乙二醇鈦、丙三醇鈦、硫酸鈦、硫酸氧鈦、四氯化鈦、四氟化鈦、氟鈦酸銨中的一種或者幾種的組合。優(yōu)選的，所述水解反應(yīng)為將所述鈦源分散在去離子水中直接水解生成水合TiO2沉淀，或者，所述水解反應(yīng)為通過(guò)向所述鈦源緩慢加入四甲基氫氧化銨水溶液、四乙基氫氧化銨水溶液、四丙基氫氧化銨水溶液、四丁基氫氧化銨水溶液、氨水、氫氧化鈉水溶液、氫氧化鉀水溶液、胺的水溶液、尿素的水溶液中的一種或幾種的混合溶液，使鈦源水解生成水合TiO2沉淀。優(yōu)選的，所述鈦源經(jīng)水解反應(yīng)后進(jìn)行提純獲得所述水合TiO2沉淀；所述提純用于去除離子，得到純度在97%以上的水合TiO2沉淀，所述提純方式采用水洗-離心分離、水洗-膜分離、水洗-過(guò)濾以及滲析中的一種或者幾種方式的組合。優(yōu)選的，所述堿為四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨、四丙基氫氧化銨、四丁基氫氧化銨、氨水、胺類物質(zhì)、尿素中的一種或幾種的混合物，堿濃度為0至0.1摩爾每升。優(yōu)選的，所述堿性雙氧水溶液中雙氧水的體積分?jǐn)?shù)為0.5%至8%。優(yōu)選的，所述水合TiO2沉淀分散在所述堿性雙氧水溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%至5%。優(yōu)選的，所述水熱反應(yīng)的溫度為60至160攝氏度，時(shí)間為1至48小時(shí)。本發(fā)明制備的TiO2納米顆粒具有高活性{100}晶面、紡錘體狀、均一尺寸、顆粒粒徑可以小于15納米、光催化活性高、分散性好、不易團(tuán)聚、無(wú)污染等特點(diǎn)，在光催化空氣凈化和光催化水處理等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、該方法得到的TiO2納米顆粒為紡錘體狀，顆粒粒徑可以小于15納米、單分散性好；2、該方法得到的TiO2納米顆粒暴露大量高活性{100}晶面；3、該方法得到的TiO2納米顆粒具有懸浮性能好，不易團(tuán)聚的特點(diǎn)；4、該方法得到的TiO2光催化效率高，可應(yīng)用于光催化空氣凈化和光催化水處理等領(lǐng)域。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明制備{100}晶面銳鈦礦相TiO2納米顆粒的方法流程圖。圖2是本發(fā)明制備{100}晶面銳鈦礦相TiO2納米顆粒的方法制備得到的紡錘狀TiO2納米顆粒的掃描電鏡圖；圖2中，圖(a)和圖(b)為實(shí)施例1得到的產(chǎn)物，產(chǎn)物粒徑為10至15納米，長(zhǎng)度為20至30納米；圖(c)和圖(d)為實(shí)施例2得到的產(chǎn)物，產(chǎn)物粒徑為8至10納米，長(zhǎng)度為12至15納米。圖3是實(shí)施例1制備得到的紡錘狀TiO2納米顆粒的高分辨透射電鏡圖，通過(guò)圖中晶格條紋及傅里葉電子變換圖可以看出TiO2顆粒的生長(zhǎng)方向?yàn)?lt;001>方向，顆粒側(cè)面暴露大量的高活性{100}晶面。圖4是實(shí)施例1制備得到的紡錘狀TiO2納米顆粒的光學(xué)圖，不易沉降。具體實(shí)施方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請(qǐng)中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本申請(qǐng)實(shí)施例中的附圖，對(duì)本申請(qǐng)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本申請(qǐng)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒旧暾?qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。請(qǐng)參考圖1，本發(fā)明的一種實(shí)施方式提供的一種制備{100}晶面銳鈦礦相TiO2納米顆粒的方法，包括以下步驟：將鈦源通過(guò)水解反應(yīng)得到水合TiO2沉淀；將所述水合TiO2沉淀分散在堿性雙氧水溶液中進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到暴露活性{100}晶面的銳鈦礦相TiO2納米顆粒；所述堿性雙氧水溶液的pH值為8至13。進(jìn)一步地，所述堿性雙氧水溶液由雙氧水溶液中添加堿或在堿溶液中添加雙氧水得到。所述堿可以為四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨、四丙基氫氧化銨、四丁基氫氧化銨、氨水、胺類物質(zhì)、尿素中的一種或幾種的混合物，所述堿的濃度可以為0至0.1摩爾每升。所述堿性雙氧水溶液的pH值可以為8.5至10.5，并且，所述堿性雙氧水溶液中雙氧水的體積分?jǐn)?shù)可以為0.5%至8%。進(jìn)一步地，所述鈦源選自乙醇鈦、丙醇鈦、鈦酸四丁酯、乙二醇鈦、丙三醇鈦、硫酸鈦、硫酸氧鈦、四氯化鈦、四氟化鈦、氟鈦酸銨中的一種或者幾種的組合。進(jìn)一步地，所述水解反應(yīng)為將所述鈦源分散在去離子水中直接水解生成水合TiO2沉淀，或者，所述水解反應(yīng)為通過(guò)向所述鈦源緩慢加入四甲基氫氧化銨水溶液、四乙基氫氧化銨水溶液、四丙基氫氧化銨水溶液、四丁基氫氧化銨水溶液、氨水、氫氧化鈉水溶液、氫氧化鉀水溶液、胺的水溶液、尿素的水溶液中的一種或幾種的混合溶液，使鈦源水解生成水合TiO2沉淀。進(jìn)一步地，所述鈦源經(jīng)水解反應(yīng)后進(jìn)行提純獲得所述水合TiO2沉淀；所述提純用于去除離子，得到純度在97%以上的水合TiO2沉淀，所述提純方式采用水洗-離心分離、水洗-膜分離、水洗-過(guò)濾以及滲析中的一種或者幾種方式的組合。進(jìn)一步地，所述水合TiO2沉淀分散在所述堿性雙氧水溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%至5%。所述水熱反應(yīng)的溫度為60至160攝氏度，時(shí)間為1至48小時(shí)。通過(guò)上述本實(shí)施方式制備的TiO2納米顆粒具有高活性{100}晶面、紡錘體狀、均一尺寸、顆粒粒徑可以小于15納米、光催化活性高、分散性好、不易團(tuán)聚、無(wú)污染等特點(diǎn)，在光催化空氣凈化和光催化水處理等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。上述本實(shí)施方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、參考圖2可以看出本實(shí)施方式得到的TiO2納米顆粒為紡錘體狀，顆粒粒徑小于15納米、單分散性好；2、參考圖3可以看出本實(shí)施方式得到的TiO2納米顆粒暴露大量高活性{100}晶面；3、參考圖4可以看出本實(shí)施方式得到的TiO2納米顆粒具有懸浮性能好，不易團(tuán)聚的特點(diǎn)；4、該方法得到的TiO2光催化效率高，可應(yīng)用于光催化空氣凈化和光催化水處理等領(lǐng)域。實(shí)施例1攪拌條件下，將2.5克硫酸鈦分散溶解于100毫升去離子水中。緩慢滴加濃度為0.1摩爾每升的四甲基氫氧化銨到上述溶液中，直至溶液呈中性（pH值約為7），使硫酸鈦逐漸水解生成水合TiO2沉淀。將水合TiO2沉淀超聲分散，用去離子水洗滌多次，離心分離得到高純度（純度在97%以上）的水合TiO2沉淀。其次，配制200毫升雙氧水體積分?jǐn)?shù)為2%的雙氧水溶液，加入稀氨水調(diào)節(jié)其形成pH值為10.5的堿性雙氧水溶液。隨后，將上述洗滌后的高純度水合TiO2沉淀超聲分散于上述pH值為10.5且雙氧水體積分?jǐn)?shù)為2%的堿性雙氧水溶液中并攪拌1小時(shí)后，于120攝氏度下水熱反應(yīng)6小時(shí)，得到圖2中的圖a和圖b所顯示的暴露大量活性{100}晶面的紡錘體狀銳鈦礦相TiO2納米顆粒，所述紡錘體狀銳鈦礦相TiO2納米顆粒的產(chǎn)物粒徑為10至15納米，長(zhǎng)度約為20至30納米。圖3本實(shí)施例制備得到的紡錘狀TiO2納米顆粒的高分辨透射電鏡圖，通過(guò)圖中晶格條紋及傅里葉電子變換圖可以看出TiO2顆粒的生長(zhǎng)方向?yàn)?lt;001>方向，顆粒側(cè)面暴露大量的高活性{100}晶面。圖4是本實(shí)施例制備得到的紡錘狀TiO2納米顆粒的光學(xué)圖，可以看出所得到的紡錘狀TiO2納米顆粒不易沉降。實(shí)施例2攪拌條件下，將2.5克硫酸鈦分散溶解于100毫升去離子水中。緩慢滴加濃度為0.1摩爾每升的四甲基氫氧化銨到上述溶液中，直至溶液呈中性（pH值約為7），使硫酸鈦逐漸水解生成水合TiO2沉淀。將水合TiO2沉淀超聲分散，用去離子水洗滌多次，得到高純度的水合TiO2沉淀，離心分離得到高純度的水合TiO2沉淀。其次，配制200毫升雙氧水體積分?jǐn)?shù)為2%的雙氧水溶液，加入稀氨水調(diào)節(jié)其形成pH值為8.5的堿性雙氧水溶液。隨后，將上述洗滌后的純度在97%以上水合TiO2沉淀超聲分散于上述pH值為8.5且雙氧水體積分?jǐn)?shù)為2%的堿性雙氧水溶液中并攪拌1小時(shí)，然后于120攝氏度下水熱反應(yīng)6小時(shí)，得到如圖2中的圖c和圖d所示的暴露少量活性{100}晶面的紡錘體狀銳鈦礦相TiO2納米顆粒，可以看出所述銳鈦礦相TiO2納米顆粒的粒徑為8至10納米，長(zhǎng)度約為12至15納米。實(shí)施例3攪拌條件下，將5克硫酸鈦分散溶解于100毫升去離子水中。緩慢滴加濃度為0.2摩爾每升的氨水到上述溶液中，直至溶液呈中性（pH值約為7），使硫酸鈦逐漸水解生成水合TiO2沉淀。將水合TiO2沉淀超聲分散，用去離子水洗滌多次，得到純度在97%以上的水合TiO2沉淀，離心分離。其次，配制200毫升雙氧水體積分?jǐn)?shù)為5%的雙氧水溶液，加入稀四甲基氫氧化銨調(diào)節(jié)其成為pH值為9的堿性雙氧水溶液。隨后，將洗滌后的純度在97%以上水合TiO2沉淀攪拌分散于上述pH值為9且雙氧水體積分?jǐn)?shù)為5%的堿性雙氧水溶液中并攪拌2小時(shí)后，于100攝氏度下水熱反應(yīng)8小時(shí)，得到暴露活性{100}晶面的紡錘體狀銳鈦礦相TiO2納米顆粒。實(shí)施例4攪拌條件下，將3克硫酸氧鈦分散溶解于100毫升去離子水中。緩慢滴加濃度為0.2摩爾每升的氨水到上述溶液中，直至溶液呈中性（pH值約為7），使硫酸氧鈦逐漸水解生成水合TiO2沉淀。將水合TiO2沉淀超聲分散，用去離子水洗滌多次，得到高純度的水合TiO2沉淀，離心分離。其次，配制200毫升雙氧水體積分?jǐn)?shù)為5%的雙氧水溶液，加入稀氨水調(diào)節(jié)其pH值為11形成堿性雙氧水溶液。隨后，將洗滌后的純度在97%以上水合TiO2沉淀超聲分散于上述pH值為11且雙氧水體積分?jǐn)?shù)為5%的堿性雙氧水溶液中并攪拌1小時(shí)后，于80攝氏度下水熱反應(yīng)24小時(shí)，得到暴露活性{100}晶面的紡錘體狀銳鈦礦相TiO2納米顆粒。實(shí)施例5攪拌條件下，將3毫升四氯化鈦超聲分散于100毫升去離子水中。緩慢滴加濃度為0.1摩爾每升的氨水到上述溶液中，直至溶液呈中性（pH值約為7），使四氯化鈦逐漸水解生成水合TiO2沉淀。將水合TiO2沉淀超聲分散，用去離子水洗滌多次，得到高純度的水合TiO2沉淀，離心分離。其次，配制200毫升雙氧水體積分?jǐn)?shù)為3%的雙氧水水溶液，加入稀氨水調(diào)節(jié)其形成pH值為12的堿性雙氧水溶液。隨后，將洗滌后的高純度水合TiO2沉淀超聲分散于上述pH值為12且雙氧水體積分?jǐn)?shù)為5%的堿性雙氧水溶液中并攪拌1小時(shí)后，于140攝氏度下水熱反應(yīng)4小時(shí)，得到暴露大量活性{100}晶面的紡錘體狀銳鈦礦相TiO2納米顆粒。實(shí)施例6攪拌條件下，將2毫升異丙醇鈦超聲分散于100毫升去離子水中水解生成水合TiO2沉淀，并離心分離。其次，配制100毫升雙氧水體積分?jǐn)?shù)為2%的雙氧水溶液，加入稀氨水調(diào)節(jié)其形成pH為9的堿性雙氧水溶液。隨后，將上述水合TiO2沉淀超聲分散于上述pH值為9且雙氧水體積分?jǐn)?shù)為2%的堿性雙氧水溶液中并攪拌1小時(shí)后，于105攝氏度下水熱反應(yīng)6小時(shí)，得到暴露活性{100}晶面的紡錘體狀銳鈦礦相TiO2納米顆粒。實(shí)施例7攪拌條件下，將2毫升鈦酸四丁酯超聲分散于100毫升去離子水中水解生成水合TiO2沉淀，并離心分離。其次，配制100毫升雙氧水體積分?jǐn)?shù)為0.5%的雙氧水溶液，加入稀氨水調(diào)節(jié)其形成pH值為13的堿性雙氧水溶液。隨后，將上述水合TiO2沉淀超聲分散于上述pH值為13且雙氧水體積分?jǐn)?shù)為0.5%的堿性雙氧水溶液中并攪拌1小時(shí)后，于100攝氏度下水熱反應(yīng)8小時(shí)，得到暴露活性{100}晶面的紡錘體狀銳鈦礦相TiO2納米顆粒。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。