Подобные цветам наноструктуры TiO2 с открытыми {001} гранями были впервые cинтезированы с помощью низкотемпературных гидротермальных процессов из порошка титана. Они показали неплохие результаты в качестве катализатора для фотохимической деградации красителя метилового синего под действием ультрафиолетового излучения.
Оксид титана (IV) широко исследуется в связи с его
многочисленными сферами применения
(фотокатализ, Li-ион батареи,
сенсоры). Широкое применение объясняется
его уникальными физико-химическими
свойствами, которые зависят не только
от размеров и формы кристаллических
частиц, но также и от строения их
поверхности. Для одного из минералов TiO2,
анатаза, были найдены немногочисленные
модификации с открытыми {001} гранями, являющимися наиболее реакционноспособными.
Следующим шагом было создание кристаллических структур с {001} гранями. Для этого использовались различные исходные соединения титана, как правило фториды или хлориды. Но основной проблемой таких синтезов была высокая чувствительность реагентов к гидролизу, что осложняло контроль над реакцией и приводило к неудовлетворительным выходам. Более удобным реагентом оказался нитрид титана, но он был дорог и требовал нагрева реакционной смеси до 1300°С.
Был разработан альтернативный метод, представляющий собой низкотемпературный процесс окисления титана в водной среде. Для синтеза берется 0,1 г титанового порошка (99,9 чистоты с размером частиц около 80 микрон), 40 мл воды и 40 масс.% плавиковой кислоты. Реакция проводится в автоклаве с тефлоновым покрытием. Смесь греют в течении 10 ч при температуре 120°С. Затем продукт отделяется центрифугированием и тщательно промывается водой высокой степени очистки до pH 7. Далее продукт сушится при 80 °С.
Полученные кристаллы содержат 10-30% сростков с открытыми {001} - гранями. Наноструктуры выглядят подобно распустившимся розам и имеют размер порядка 300-700 нм. В ходе синтеза, благодаря более низкой поверхностной энергии, сначала образуются {101} грани, однако ионы фтора значительно уменьшают поверхностную энергию {001} плоскостей, в результате чего последние образуются в значительном количестве. Плавиковая кислота выполняет здесь тройную роль: растворяет титановый порошок, задерживает процесс гидролиза и изменяет поверхностную энергию нужных граней.
Фотохимическая активность полученных структур была оценена при помощи реакции обесцвечивания метилового синего под действием УФ. Для проведения испытания поверхностный фтор был предварительно удален 2 часовым нагревание при 600 °С в присутствии кислорода. После этого 30 мг кристаллов были смешаны с 0,01 М раствором NaOHс добавлением 25 ppm метилового синего. Перед облучением смесь непрерывно перемешивалась в темноте в течение часа. Далее раствор был подвергнут УФ-излучению (длина волны 365 нм, мощность 0,5 мВт/см2).
В конечном счете была доказана более высокая реакционная способность новых структур. Методика их производства проста и надежна, что будет способствовать их внедрению в промышленное производство, как основных рабочих материалов для фотоэлементов, сенсоров и датчиков.
