介观TiO2晶体材料的拓扑转变合成及其性能

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2023.01.005

辽宁石油化工大学学报 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (1): 27-31.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2023.01.005

介观TiO₂晶体材料的拓扑转变合成及其性能

常帅康(), 刘闯, 李坤宸, 李波, 王芳芳, 陆彩云, 陈常东()

辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺 113001

收稿日期:2021-09-18 修回日期:2022-03-18 出版日期:2023-02-25 发布日期:2023-03-13
通讯作者: 陈常东
作者简介:常帅康（1999⁃），男，本科生，无机非金属材料工程专业，从事无机非金属材料方面的研究；E⁃mail：473623923@qq.com。
基金资助:
教育部“春晖计划”合作科研项目(2020703?8);国家留学基金委公派访学学者面上项目(CSC202008210025);辽宁省教育厅科学技术研究项目(L2019036);辽宁石油化工大学科研启动基金项目(2016xJJ?075);辽宁省大学生创新创业训练计划项目(2020101480002)

Preparation of TiO₂ Mesocrystals by Topochemical Conversion and Their Performance

Shuaikang Chang(), Chuang Liu, Kunchen Li, Bo Li, Fangfang Wang, Caiyun Lu, Changdong Chen()

School of Petrochemical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China

Received:2021-09-18 Revised:2022-03-18 Published:2023-02-25 Online:2023-03-13
Contact: Changdong Chen

摘要/Abstract

摘要：

以层状结构的钛酸盐HTO（H₄_x_/3Ti_2-_x_/3□ _x_/3O₄?nH₂O）为原料，采用水热的方法合成了金红石型介观TiO₂晶体。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等测试手段，研究了反应温度对利用拓扑结构转变方式合成的金红石型介观TiO₂晶体材料的影响。结果表明，金红石型TiO₂晶体材料可以在反应体系pH为0.5的条件下得到，当反应温度升高到120 ℃时，形成了金红石型介观TiO₂晶体材料。以罗丹明B（RhB）为污染物模型进行了降解实验。结果表明，120 ℃时金红石型介观TiO₂晶体材料的光催化活性明显高于其他样品，主要是由于介观晶体具有较为特殊的电子传导特性，有助于电子与空穴的分离。染料敏化太阳能电池（DSSCs）实验结果表明，120 ℃时所形成的介观晶体结构有助于光生载流子的快速迁移，从而获得较高的电池特性。

关键词: 介观晶体, 水热, 拓扑相变, 光（电）催化

Abstract:

In this work, the rutile mesocrystals TiO₂ were synthesized by hydrothermal method using layered titanate HTO (H₄_x_/3Ti_2-_x_/3□ _x_/3O₄?nH₂O) as the precursor. By means of X?ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and other testing methods, the effect of reaction temperature on the synthesis of rutile?type mesoscopic TiO₂ crystal material by means of topological structure transformation was studied. The results reveal that rutile TiO₂ can be obtained under the condition of pH 0.5 of the reaction system, and with the gradual increase of the reaction temperature, the rutile?type mesoscopic TiO₂ crystal material is formed at 120 ℃. Taking Rhodamine B (RhB) as the pollutant model for degradation experiments, the photocatalytic activity of rutile mesocrystals TiO₂ is significantly higher than that of other samples. Experiments on dye?sensitized solar cells (DSSCs) show that the mesocrystals structure formed at 120 ℃ is conducive to the rapid migration of photogenerated carriers, thus obtaining high cell characteristics.

Key words: Mesocrystals, Hydrothermal, Topotactic phase transformation, Photo(electric) catalysis

中图分类号:

TE09

常帅康, 刘闯, 李坤宸, 李波, 王芳芳, 陆彩云, 陈常东. 介观TiO₂晶体材料的拓扑转变合成及其性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(1): 27-31.

Shuaikang Chang, Chuang Liu, Kunchen Li, Bo Li, Fangfang Wang, Caiyun Lu, Changdong Chen. Preparation of TiO₂ Mesocrystals by Topochemical Conversion and Their Performance[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2023, 43(1): 27-31.

图/表 6

图1 不同温度下合成的TiO2材料的XRD图谱

图2 不同温度下合成的TiO2材料的SEM照片

图3 不同温度下合成的TiO2材料的TEM照片和FFT衍射图片

图4 不同温度下合成的TiO2材料降解罗丹明B的性能曲线

图5 不同温度下合成的TiO2材料的电池特性曲线

表1 不同温度下合成的TiO2材料的电池特性参数

反应温度/℃	晶型	电流密度/(mA·cm^-2)	电压/V	填充因子/%	转化效率/%	膜厚度/μm
120	金红石	13.2	0.69	62.5	5.7	12.1
140	金红石	8.8	0.63	65.5	3.6	11.8

参考文献 16

1	Fujishima A， Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode［J］. Nature， 1972， 238： 37⁃38.
2	Fujishima A， Kobayakawa K， Honda K. Hydrogen production under sunlight with an electrochemical photocell［J］. Journal of the Electrochemical Society， 1975， 122： 1487⁃1489.
3	O'Regan B， Grätzel M. A low ⁃ cost， high ⁃ efficiency solar cell based on dye ⁃ sensitized colloidal TiO₂ films［J］. Nature， 1991， 353： 737⁃740.
4	Nam S H， Shim H S， Kim Y S， et al. Ag or Au nanoparticle⁃embedded one⁃dimensional composite TiO₂ nanofibers prepared via electrospinning for use in lithium⁃ion batteries［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2010， 2： 2046⁃2052.
5	Fujishima A， Rao T N， Tryk D A. Titanium dioxide photocatalysis［J］. Journal of Photochemistry and Photobiology C， 2000， 1： 1⁃21.
6	Grätzel M. Dye⁃sensitized solar cells［J］. Journal of Photochemistry and Photobiology C， 2003， 4： 145⁃153.
7	Chen X， Mao S S. Titanium dioxide nanomaterials： Synthesis， properties， modifications， and applications［J］. Chemical Reviews， 2007， 107： 2891⁃2959.
8	Cölfen H， Antonietti M. Mesocrystals： Inorganic superstructures made by highly parallel crystallization and controlled alignment［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2005， 44： 5576⁃5591.
9	Wu J， Liao W， Yoshimura M. Soft processing of hierarchical oxide nanostructures for dye⁃sensitized solar cell applications［J］. Nano Energy， 2013， 2： 1354⁃1372.
10	王鑫，张静. CdS 异相结的固相法制备及其光催化性能［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2019， 39（3）： 30⁃34.
11	Sun Y Y， Zong Z M， Li Z K， et al. Hydrothermal synthesis of TiO₂ nanotubes from one⁃dimensional TiO₂ nanowires on flexible non⁃metallic substrate［J］. Ceramics International， 2018， 44： 3501⁃3504.
12	Yan X， Feng L， Jia J， et al. Controllable synthesis of anatase TiO₂ crystals for high⁃performance dye⁃sensitized solar cells［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2013， 1： 5347⁃535.
13	Gong J， Liang J， Sumathy K. Review on dye⁃sensitized solar cells （DSSCs）： Fundamental concepts and novel materials［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2012， 16： 5848⁃5860.
14	Chen C， Xu L， Sewvandi G A， et al. Microwave⁃assisted topochemical conversion of layered titanate nanosheets to ｛010｝⁃faceted anatase nanocrystals for high performance photocatalysts and dye⁃sensitized solar cells［J］. Crystal Growth & Design， 2014， 14： 5801⁃5811.
15	Du Y， Feng Q， Chen C， et al. Photocatalytic and dye⁃sensitized solar cell performances of ｛010｝⁃faceted and ［111］⁃faceted anatase TiO₂ nanocrystals synthesized from tetratitanate nanoribbons［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2014， 6： 16007⁃16019.
16	Chen C， Ikeuchi Y， Xu L， et al. Synthesis of ［111］⁃ and ｛010｝⁃faceted anatase TiO₂ nanocrystals from tri⁃titanate nanosheets and their photocatalytic and DSSC performances［J］. Nanoscale， 2015， 7： 7980⁃7991.

[1]	曹嫣镔, 刘明, 汪庐山, 王坤, 初伟, 马爱青, 王飞. 蒸汽驱替稠油水热裂解改质行为的室内物理模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(5): 34-41.
[2]	谢萱, 白英芝, 邰伟卫, 王钰佳, 王海彦. PEG⁃800对SAPO⁃34形貌和催化性能的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(4): 1-5.
[3]	陈常东, 李哲, 李珂, 丛金莹, 杨宇航, 王芳芳. TiO₂同质体材料的拓扑转变合成及其性能的研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 37-41.
[4]	昝逸凡, 张彦飞, 赵新鹏, 孔令照. 原生生物质水热炭化制备碳材料及其应用[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2020, 40(4): 70-79.
[5]	荣青山，黎胜可，张霜，赵悦，蔡耀荣，施岩. 重质原油水热裂解降黏技术研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2018, 38(06): 17-20.
[6]	祝贺,马贵阳,赵梁. 管道埋深对冻土区土壤温度场的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2014, 34(6): 26-29,34.
[7]	李永超,刘宗琦,辛春玲,田晓光,侯俊琦,. 金属有机骨架化合物Co1Cu2(BHTC)2 的合成及生长机理探索[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2013, 33(1): 25-29.
[8]	寇瑾. 8-羟基喹啉铜配合物的合成、表征及表面光电性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2009, 29(2): 3-5.
[9]	孔令照，李光明，贺文智，徐竟成，王华. 微晶纤维素水热降解的液化产物分布[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2007, 27(3): 25-28.
[10]	肖　兵, 张　毅, 任　涛, 连丕勇. Fe -MCM -41 分子筛的合成及应用———催化氧化环己烷制环己酮[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2006, 26(1): 1-4.

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