Низкий

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 17773 (2016) Цитировать эту статью

3097 Доступов

33 цитаты

Подробности о метриках

Высокоупорядоченные пленки массивов нанотрубок анатаза TiO2, покрытые открытыми высокореактивными наногранями {001}, были изготовлены модифицированным гидротермальным методом с использованием массивов аморфных анодных нанотрубок TiO2 (ATONA) в качестве исходных материалов. Установлено, что реакция между газовой фазой HF и твердыми АТОНАми играет ключевую роль в процессе превращения аморфного TiO2 в анатаз, а трубчатая структура TiO2 сохраняется неизменной в ходе поверхностной модификации с обнаженными гранями {001} до 76,5%, что Это можно объяснить низкой температурой реакции 130°С. Наше исследование открыло новый путь упрощенного приготовления граней {001}, подвергшихся воздействию анатаза TiO2.

Пленки массива нанотрубок Anatase TiO2, покрытые открытыми наногранями {001}, были синтезированы модифицированным гидротермальным методом.

Анатазный TiO2 с 76,5% открытых граней {001} был получен при температуре всего 130 °C.

Ключевую роль сыграл новый путь реакции между газообразным HF и твердыми ATONA.

Преобразование зависело от перегруппировки атомов в твердом состоянии.

Среди трех основных полиморфов диоксида титана (TiO2) анатаз TiO2 привлек большое внимание из-за его уникальных электронных, оптических и каталитических свойств1,2,3, которые нашли различные применения, такие как фотокатализ, фотогальваника, доставка лекарств, производство водорода и ион лития. батарейки4,5,6,7. В последнее время горячей темой стал синтез и применение анатаза TiO2 с открытыми гранями {001}8. Как теоретические, так и экспериментальные исследования показали, что открытые поверхности (001) проявляют гораздо более высокую химическую активность, чем поверхности (101) в кристаллах анатаза TiO28,9,10. Поэтому желательно получать кристаллы TiO2 с обнаженными более реакционноспособными гранями {001}. Доказано, что гидротермальный синтез с F- является наиболее часто используемым и наиболее эффективным методом8,9,10,11,12,13. Основные процедуры обнажения плоскостей {001} анатаза TiO2 включали два этапа: (i) приготовление плоскостей {001} с низкой поверхностной энергией путем разрыва оборванных связей с F−, на этом этапе фотокаталитическая активность TiO2 все еще низкий; (ii) удаление поверхности F- путем отжига при 600 °C, в результате чего образовались открытые плоскости {001}, свободные от F-. Обратите внимание, что первый шаг важен для выявления нанограней {001}. До сих пор для гидротермального получения анатаза TiO2 с обнаженными гранями {001} необходима температура реакции не менее 200 °C8,9,10,11,12,13.

Здесь мы обнаружили, что, используя модифицированный гидротермальный метод, который позволяет избежать прямого контакта ATONA с раствором HF13,14,15, таким образом, реакция между газовой фазой HF (но не кислым раствором HF) и твердыми ATONA играет ключевую роль в Процесс преобразования аморфного TiO2 в анатаз и пленки из массива нанотрубок TiO2 с открытыми гранями {001} до 76,5% были успешно получены при температуре реакции всего 130 ° C. После того, как поверхностные ионы F- были удалены в течение 2 часов отжига при 600 ° C8,13,16, полученные пленки TiO2 без F- с обнаженными наногранями {001} показали гораздо лучшую фотокаталитическую активность, чем исходные ATONA для разложения метилоранжа (МО). .

На рис. 1а,б показаны рентгенограммы синтезированных образцов с различными условиями приготовления. Для ATONA были обнаружены только дифракционные пики титана, что указывает на то, что выращенные ATONA имеют аморфную структуру17. После гидротермальной обработки наблюдались широкие дифракционные пики при 25,3°, 37,8°, 48,2°, 53,9° и 55,2°, которые можно отнести к (101), (004), (200), (105) и (211). рефлексы анатаза TiO2 и интенсивности дифракционных пиков при 25,3° и 37,8° увеличиваются со временем приготовления, что указывает на зарождение и рост анатаза TiO2 при гидротермальной обработке при 130 °С (рентгенограммы образцов за 1,5 и 2 ч представлены на рис. .S1 в разделе «Вспомогательная информация»). Следует отметить, что появление сильного пика при 37,8°, который был отнесен к плоскостям (004) анатаза TiO2, предполагало наличие обнаженных нанограней {001}18. Особенно для H-16 и H-20 (рис. 1b), обнаженные плоскости {001} оценивались в 74,5% и 76,5% соответственно19. Спектры ЭДС на рис. 1в показали, что поверхностные ионы F- были полностью удалены при отжиге при 600 °C8,13,16. Измерение XPS также подтвердило успешное удаление поверхностных частиц F-, как показано на рис. 1d. В то же время дифракционные пики, относящиеся к плоскостям {101}, стали более резкими, а пик (004) при 37,8° немного ослаб, что указывает на то, что потеря концевого F− предпочтительнее обнажения плоскостей {101}. Средний размер зерна, оцененный по полувысоте дифракционных пиков при 25,3° и 37,8°, составил 12,2 нм и 34,1 нм для H-16 и 30,6 нм и 29,3 нм для HT-16 соответственно, как показано на рис. 1e. Кстати, постотжиг также индуцировал образование наночастиц рутила, в результате чего появились дифракционные пики 27,5°, 36,1°, 39,3° и 54,3°20,21.