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Scientific Reports volume 5, numero articolo: 17773 (2016) Citare questo articolo

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Film di array di nanotubi di TiO2 anatasio di alto ordine rivestiti con nanosfaccettature {001} esposte altamente reattive sono stati fabbricati mediante un metodo idrotermale modificato utilizzando array di nanotubi di TiO2 anodici amorfi (ATONA) come materiali di partenza. Si è scoperto che la reazione tra HF in fase gassosa e ATONA solidi ha svolto un ruolo chiave nel processo di trasformazione da TiO2 amorfo ad anatasio e la struttura tubolare del TiO2 è rimasta invariata durante la modificazione superficiale con una sfaccettatura {001} esposta fino al 76,5%, che potrebbe essere attribuito alla bassa temperatura di reazione di 130 °C. Il nostro studio ha fornito un nuovo percorso per la facile preparazione di {001} sfaccettature esposte anatasio TiO2.

I film di array di nanotubi di anatasio TiO2 rivestiti con nanosfaccettature {001} esposte sono stati sintetizzati mediante un metodo idrotermale modificato.

L'anatasio TiO2 con il 76,5% delle sfaccettature {001} esposte è stato ottenuto a temperature fino a 130 °C.

Un nuovo percorso di reazione tra il gas HF e gli ATONA solidi ha svolto un ruolo chiave.

La trasformazione dipendeva dal riarrangiamento atomico allo stato solido.

Tra i tre principali polimorfi del biossido di titanio (TiO2), l'anatasio TiO2 ha attirato molta attenzione a causa delle sue proprietà elettroniche, ottiche e catalitiche uniche1,2,3, che hanno mostrato varie applicazioni come fotocatalisi, fotovoltaico, somministrazione di farmaci, produzione di idrogeno e ioni di litio batterie4,5,6,7. Recentemente, la sintesi e l'applicazione dell'anatasio TiO2 con le sfaccettature {001} esposte sono state un argomento scottante8. Sia gli studi teorici che quelli sperimentali hanno rivelato che le superfici esposte (001) mostravano attività chimiche molto più elevate rispetto alle superfici (101) nei cristalli di TiO2 anatasio8,9,10. Pertanto, è desiderabile preparare cristalli di TiO2 con le sfaccettature {001} più reattive esposte. È stato dimostrato che la sintesi idrotermale con F− è il metodo più frequentemente utilizzato e più efficace8,9,10,11,12,13. Le principali procedure per l'esposizione dei piani {001} dell'anatasio TiO2 includevano due fasi: (i) la preparazione dei piani {001} a bassa energia superficiale terminando i legami penzolanti con F−, in questa fase, l'attività fotocatalitica del TiO2 è ancora basso; (ii) la rimozione della superficie F− mediante ricottura a 600 ° C che ha prodotto piani {001} esposti privi di F−. Si noti che il primo passaggio è essenziale per l'esposizione di {001} nanosfaccettature. Finora è necessaria una temperatura di reazione di almeno 200 °C per la preparazione idrotermale di anatasio TiO2 con sfaccettature {001} esposte8,9,10,11,12,13.

Qui, abbiamo scoperto che utilizzando un metodo idrotermale modificato, che evitava il contatto diretto degli ATONA con la soluzione HF13,14,15, quindi la reazione tra HF in fase gassosa (ma non soluzione acida di HF) e ATONA solidi ha svolto un ruolo chiave nel Il processo di trasformazione da film di array di nanotubi di TiO2 e TiO2 da amorfo ad anatasio con sfaccettature {001} esposte fino al 76,5% è stato preparato con successo a una temperatura di reazione di soli 130 °C. Dopo che gli ioni F− superficiali sono stati rimossi mediante 2 ore di ricottura a 600 °C8,13,16, i film di TiO2 privi di F ottenuti con nanosfaccettature {001} esposte hanno mostrato attività fotocatalitiche molto migliori rispetto agli ATONA originali per la degradazione del metilarancio (MO) .

La Figura 1a,b mostra i modelli XRD dei campioni sintetizzati con diverse condizioni di preparazione. Per gli ATONA, sono stati rilevati solo picchi di diffrazione del titanio, indicando che gli ATONA cresciuti hanno una struttura amorfa17. Dopo il trattamento idrotermale sono stati osservati ampi picchi di diffrazione a 25,3°, 37,8°, 48,2°, 53,9° e 55,2°, che possono essere indicizzati in (101), (004), (200), (105) e (211) le riflessioni dell'anatasio TiO2 e le intensità dei picchi di diffrazione a 25,3° e 37,8° aumentano con il tempo di preparazione, indicando la nucleazione e la crescita dell'anatasio TiO2 durante il trattamento idrotermale a 130 °C (i modelli XRD dei campioni per 1,5 ore e 2 ore sono stati mostrati in Fig. S1 in Informazioni di supporto). Si noti che la comparsa di un forte picco a 37,8°, attribuito ai piani (004) di anatasio TiO2, suggerisce la presenza di nanosfaccettature {001} esposte18. Soprattutto per H-16 e H-20 (Fig. 1b), si stima che i piani esposti {001} raggiungano rispettivamente il 74,5% e il 76,5%19. Gli spettri EDS in Fig. 1c indicavano che gli ioni F− superficiali erano stati completamente rimossi mediante ricottura a 600 ° C8,13,16. La misurazione XPS ha anche confermato la rimozione riuscita delle specie F di superficie, come mostrato in Fig. 1d. Allo stesso tempo, i picchi di diffrazione attribuiti ai piani {101} si sono acuiti, mentre il picco (004) a 37,8° si è leggermente indebolito, indicando che la perdita di F− terminato ha preferito l'esposizione dei piani {101}. La dimensione media dei grani stimata da FWHM dei picchi di diffrazione a 25,3 ° e 37,8 ° era rispettivamente di 12,2 nm e 34,1 nm per H-16 e 30,6 nm e 29,3 nm per HT-16, come mostrato in Fig. 1e. A proposito, la post-ricottura ha indotto anche la formazione di nanoparticelle di rutilo, di conseguenza sono comparsi picchi di diffrazione di 27,5°, 36,1°, 39,3° e 54,3°20,21.