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Scientific Reports volume 5, Artigo número: 17773 (2016) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Filmes de matriz de nanotubos de TiO2 anatase de alta ordem revestidos com nanofacetas {001} altamente reativas expostas foram fabricados por um método hidrotérmico modificado usando matrizes de nanotubos de TiO2 anódicos amorfos (ATONAs) como materiais de partida. Verificou-se que a reação entre HF em fase gasosa e ATONAs sólidos desempenhou um papel fundamental no processo de transformação de TiO2 amorfo em anatase e a estrutura tubular de TiO2 manteve-se inalterada durante a modificação da superfície com facetas {001} expostas de até 76,5%, o que pode ser atribuído à baixa temperatura de reação de 130 °C. Nosso estudo forneceu uma nova rota para a preparação fácil de facetas expostas a anatase TiO2.

Filmes de arranjo de nanotubos de TiO2 Anatase revestidos com nanofacetas {001} expostas foram sintetizados por um método hidrotérmico modificado.

Anatase TiO2 com 76,5% de facetas {001} expostas foi alcançada em temperaturas tão baixas quanto 130 °C.

Uma nova rota de reação entre o gás HF e os ATONAs sólidos desempenhou um papel fundamental.

A transformação dependeu do rearranjo atômico do estado sólido.

Entre os três principais polimorfos do dióxido de titânio (TiO2), o anatase TiO2 tem atraído muita atenção devido às suas propriedades eletrônicas, ópticas e catalíticas únicas , que mostraram diversas aplicações como fotocatálise, fotovoltaica, entrega de medicamentos, produção de hidrogênio e íons de lítio. baterias4,5,6,7. Recentemente, a síntese e aplicação de anatase TiO2 com facetas {001} expostas têm sido um tema quente8. Estudos teóricos e experimentais revelaram que as superfícies expostas (001) apresentaram atividades químicas muito mais altas do que as superfícies (101) em cristais de TiO2 anatase8,9,10. Portanto, é desejável preparar cristais de TiO2 com facetas mais reativas expostas. A síntese hidrotérmica com F− tem provado ser o método mais utilizado e mais eficaz8,9,10,11,12,13. Os principais procedimentos para a exposição dos planos {001} do TiO2 anatase incluíram duas etapas: (i) a preparação de planos {001} de baixa energia superficial, terminando as ligações pendentes com F-, nesta fase, a atividade fotocatalítica do TiO2 ainda está baixo; (ii) a remoção da superfície F− por recozimento de 600 °C que produziu planos {001} expostos livres de F−. Observe que a primeira etapa é essencial para a exposição de {001} nanofacetas. Até agora, uma temperatura de reação de pelo menos 200 °C é necessária para a preparação hidrotérmica de anatase TiO2 com facetas expostas8,9,10,11,12,13.

Aqui, descobrimos que, usando um método hidrotérmico modificado, que evitou o contato direto de ATONAs com solução de HF, a reação entre HF em fase gasosa (mas não solução ácida de HF) e ATONAs sólidos desempenhou um papel fundamental na O processo de transformação de filmes de matriz de nanotubos de TiO2 e TiO2 amorfos para anatase com facetas {001} expostas de até 76,5% foi preparado com sucesso em temperatura de reação tão baixa quanto 130 °C. Depois que os íons F da superfície foram removidos por 2 h de recozimento a 600 ° C , os filmes de TiO livres de F obtidos com nanofacetas {001} expostas mostraram atividades fotocatalíticas muito melhores do que os ATONAs originais para degradação do laranja de metila (MO). .

A Figura 1a,b mostra os padrões de XRD das amostras sintetizadas com diferentes condições de preparação. Para ATONAs, apenas foram detectados picos de difração de titânio, indicando que os ATONAs crescidos possuem estrutura amorfa . Após o tratamento hidrotérmico, foram observados picos de difração amplos em 25,3°, 37,8°, 48,2°, 53,9° e 55,2°, que podem ser indexados a (101), (004), (200), (105) e (211) reflexões de anatase TiO2 e as intensidades do pico de difração em 25,3° e 37,8° aumentaram com o tempo de preparação, indicando a nucleação e crescimento de anatase TiO2 durante o tratamento hidrotérmico a 130 °C (os padrões de XRD de amostras para 1,5 h e 2 h foram mostrados na Fig. (S1 em Informações de Apoio). Observe que o aparecimento de pico forte a 37,8°, que foi atribuído aos planos (004) do anatase TiO2, sugeriu a presença de nanofacetas {001} expostas . Especialmente para H-16 e H-20 (Fig. 1b), os planos {001} expostos foram estimados em 74,5% e 76,5%, respectivamente . Os espectros EDS na Fig. 1c indicaram que os íons F da superfície foram completamente removidos pelo recozimento a 600 ° C . A medição XPS também confirmou a remoção bem-sucedida das espécies F da superfície, como mostrado na Fig. Ao mesmo tempo, os picos de difração atribuídos aos planos {101} aumentaram, enquanto o pico (004) em 37,8° enfraqueceu ligeiramente, indicando que a perda de F- terminado preferiu a exposição dos planos {101}. O tamanho médio de grão estimado a partir de FWHM dos picos de difração a 25, 3 ° e 37, 8 ° foi de 12, 2 nm e 34, 1 nm para H-16 e 30, 6 nm e 29, 3 nm para HT-16, respectivamente, como mostrado na Fig. Aliás, o pós-recozimento também induziu a formação de nanopartículas de rutilo, com isso surgiram picos de difração de 27,5°, 36,1°, 39,3° e 54,3°20,21.