PVP辅助水热法制备板钛矿TiO2及光催化性能

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为辅助剂，采用水热法制备了板钛矿TiO2纳米颗粒。借助于多种测试仪器对所得样品进行了表征，如X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电镜、紫外漫反射光谱仪等。同时，在紫外光照射下，利用亚甲基蓝溶液降解实验评价了所得样品的光催化活性。实验结果表明，所得样品为单一相板钛矿TiO2纳米颗粒。PVP在板钛矿TiO2纳米颗粒形成过程中起到了稳定剂和分散剂作用。改变PVP用量，板钛矿TiO2的颗粒尺寸先减小后增大，禁带宽度值维持在3.2~3.3 eV范围内。PVP的最佳用量为0.2 g，该条件下所得板钛矿TiO2的纳米颗粒尺寸最小(约为21.0 nm)，光催化活性最高，即在紫外灯照射120 min后，对亚甲基蓝溶液的降解率高达96.4%。

二氧化钛(TiO2)是一种应用广泛的多功能半导体金属化合物， 常见有三种晶型：晶体结构为四方晶系的锐钛矿(a = 0.3784 nm，c = 0.9515 nm)和金红石(a = 0.45936 nm，c = 0.29587 nm)，以及晶体结构为斜方晶系的板钛矿(a = 0.5447 nm，b = 0.9184 nm，c = 0.5145 nm) [1] [2]。三者之间因晶体结构差异而表现出不同的性质，如锐钛矿因尺寸较小、比表面积较大而表现出优异的光催化活性，在光催化领域得到了广泛研究；金红石因具有较高的介电常数而在电子器件应用领域展示了很好的应用前景。与前两者相比， 板钛矿因单一相制备困难而研究相对较少。近年来，板钛矿因其独特的八面体结构而表现出许多特殊的性质，在光催化、催化、光伏太阳能电池和锂离子电池领域得到了越来越多的关注[3]-[8]。Yamakata 等[3]研究了锐钛矿、金红石和板钛矿的晶体结构与光催化性能之间的关系，研究表明，晶体结构中存在的电子捕获阱的深度是影响光催化活性的重要因素之一。

锐钛矿、板钛矿和金红石的捕获阱深度分别为<0.1 eV、~0.4 eV、~0.9 eV，即在锐钛矿相中，电子捕获阱较浅，导致大部分光生电子处于自由状态，使其光催化还原反应中展示出非常高的光催化活性；在金红石相中，电子捕获阱较深，导致光生电子活性降低而表现出较好的氧化活性；而在板钛矿中，因具有中等深度的电子捕获阱，可以延长光生电子和空穴的寿命，而在光催化氧化和还原反应中均具有较好的活性。基于这一特性，板钛矿在某些光催化反应中表现出比锐钛矿和金红石更高的性能[4]。Zhang 等[5]利用理论计算研究了板钛矿结构中的缺陷性质，进一步解释了其在某些光催化反应中光催化活性优于锐钛矿和金红石的原因[5]。Xu 等[6]以板钛矿TiO2 纳米立方体为光阳极材料，制备了染料敏化太阳能电池(DSSCs)。研究表明，板钛矿TiO2 纳米立方体有利于减少表面陷阱，并获得更高的电压，提高光收集能力，延长电子寿命，进而提高敏化太阳能电池的光伏性能。Guo 等[7]将板钛矿TiO2 用于钙钛矿太阳能电池材料，研究表明，与锐钛矿和金红石相比，板钛矿具有更宽的带隙和更负的导带电位，其导带位置与钙钛矿更匹配，有利于电子注入和收集，可以获得更高的开路电压，进而提高钙钛矿太阳能电池效率。随着对板钛矿TiO2 研究的不断深入，研究者发现板钛矿TiO2 在越来越多的领域展现出优异的性能，因此，进一步优化其制备方法及改善性能是非常必要的。

水热法制备板钛矿TiO2 是最常用的方法之一， 常见的钛源有四氯化钛[9]、三氯化钛[10]、硫酸钛[11]、钛酸四丁酯[12]、有机钛化合物[13] [14] [15]等。

影响板钛矿TiO2 光催化活性的因素有很多， 如尺寸大小、形貌、比表面积、结晶度等[15]。通过控制水热反应条件、添加表面活性剂或模板剂等可以优化所得板钛