低い

Scientific Reports volume 5、記事番号: 17773 (2016) この記事を引用

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メトリクスの詳細

露出した高反応性の {001} ナノファセットでコーティングされた高次アナターゼ TiO2 ナノチューブ アレイ フィルムは、出発材料としてアモルファス陽極 TiO2 ナノチューブ アレイ (ATONA) を使用する修正水熱法によって作製されました。 気相HFと固体ATONAsの間の反応は、アモルファスTiO2からアナターゼTiO2への変態プロセスにおいて重要な役割を果たし、TiO2管状構造は表面改質中に変化せず、最大76.5%の{001}ファセットが露出することが判明した。これは 130 °C という低い反応温度に起因すると考えられます。 私たちの研究は、{001} ファセットが露出したアナターゼ TiO2 を容易に調製するための新しいルートを提供しました。

露出した{001}ナノファセットでコーティングされたアナターゼTiO2ナノチューブアレイフィルムは、修正された水熱法によって合成されました。

76.5% の {001} ファセットが露出したアナターゼ TiO2 が、130 °C という低い温度で達成されました。

HFガスと固体ATONAの間の新しい反応経路が重要な役割を果たしました。

この変換は固体状態の原子の再配列に依存していました。

3 つの主要な二酸化チタン (TiO2) 多形の中で、アナターゼ TiO2 は、その独特の電子的、光学的、触媒的特性により多くの注目を集めており 1,2,3 、光触媒、太陽光発電、薬物送達、水素製造、リチウムイオンなどのさまざまな用途が示されています。バッテリー4、5、6、7。 最近、露出した {001} ファセットを持つアナターゼ TiO2 の合成と応用が注目を集めています 8。 理論的研究と実験的研究の両方で、露出した (001) 表面がアナターゼ TiO2 結晶の (101) 表面よりもはるかに高い化学活性を示すことが明らかになりました 8、9、10。 したがって、より反応性の高い {001} ファセットが露出した TiO2 結晶を調製することが望ましい。 F- を使用した水熱合成は、最も頻繁に使用され、最も効果的な方法であることが証明されています 8、9、10、11、12、13。 アナターゼ型 TiO2 の {001} 面を露出させるための主な手順には、次の 2 つのステップが含まれます。(i) ダングリング ボンドを F- で終端することによる低表面エネルギーの {001} 面の調製。この段階では、TiO2 の光触媒活性が発現します。まだ低いです。 (ii) 600 °C のアニーリングによる表面 F- の除去により、F- のない露出した {001} 面が生成されました。 最初のステップは、{001} ナノファセットの露出に不可欠であることに注意してください。 これまで、{001} ファセットが露出したアナターゼ TiO2 の水熱調製には、少なくとも 200 °C の反応温度が必要でした 8,9,10,11,12,13。

ここで、我々は、ATONA と HF 溶液との直接接触を回避する修正水熱法を使用することにより、気相 HF (酸性 HF 溶液ではない) と固体 ATONA との反応が重要な役割を果たすことを発見しました。アモルファスからアナターゼTiO2への変換プロセスと、最大76.5%まで露出した{001}面を有するTiO2ナノチューブアレイ膜を、130℃という低い反応温度で調製することに成功した。 表面 F- イオンが 2 時間の 600 °C アニーリングによって除去された 8,13,16 後、得られた露出した {001} ナノファセットを持つ F- フリー TiO2 膜は、メチル オレンジ (MO) 分解に関して元の ATONA よりもはるかに優れた光触媒活性を示しました。 。

図 1a、b は、さまざまな準備条件で合成されたままのサンプルの XRD パターンを示しています。 ATONA の場合、チタンの回折ピークのみが検出され、成長したままの ATONA がアモルファス構造を持っていることが示されました 17。 水熱処理後、25.3°、37.8°、48.2°、53.9°、55.2°で幅広い回折ピークが観察され、(101)、(004)、(200)、(105)、(211) にインデックス付けできます。アナターゼTiO2の反射と25.3°および37.8°の回折ピーク強度は調製時間とともに増加し、130℃の水熱処理中のアナターゼTiO2の核形成と成長を示しています（1.5時間および2時間のサンプルのXRDパターンを図に示しました） .サポート情報のS1）。 アナターゼ TiO2 の (004) 面に起因する 37.8°での強いピークの出現は、露出した {001} ナノファセットの存在を示唆していることに注意してください。 特に H-16 と H-20 (図 1b) では、露出した {001} 面はそれぞれ 74.5% と 76.5% と推定されました 19。 図 1c の EDS スペクトルは、表面 F- イオンが 600 °C のアニーリングによって完全に除去されたことを示しました 8,13,16。 図1dに示すように、XPS測定により、表面F-種の除去が成功したことも確認されました。 同時に、{101} 面に起因する回折ピークは鋭くなり、37.8°の (004) ピークはわずかに弱まり、終端 F- の損失が {101} 面の露出を優先したことを示しています。 図1eに示すように、25.3°と37.8°の回折ピークのFWHMから推定した平均粒径は、H-16の場合はそれぞれ12.2 nmと34.1 nm、HT-16の場合は30.6 nmと29.3 nmでした。 ちなみに、ポストアニーリングによりルチルナノ粒子の形成も誘導され、その結果、27.5°、36.1°、39.3°、54.3°の回折ピークが現れました20,21。