用于光催化应用的分级有序纳米结构TiO2

本文介绍了一种通过反应脉冲激光沉积（PLD）合成纳米晶TiO2分级微结构的无模板工艺。通过适当选择沉积参数，我们展示了对TiO2微结构形态的精细控制，从经典的致密/柱状薄膜，到由超细纳米颗粒（<10 nm）组成的密集独立分级组装体森林，再到更无序的气凝胶型结构。相应地，薄膜密度相对于块体TiO2锐钛矿相有所变化，孔隙率从48%到超过90%。这些结构在400摄氏度热处理下保持稳定，热处理导致结晶有序化，但不会引起纳米尺度的形态变化。正如以硬脂酸作为模型分子的降解实验所证明的那样，沉积态和退火态薄膜均表现出非常有前景的光催化性能，甚至优于标准的Degussa P25粉末。观察到的动力学与PLD生长材料的特殊形态相关。我们表明，三维多尺度分级形态增强了反应动力学，并为质量传输和光子吸收创造了理想环境，在最大化表面积与体积比的同时，通过作为分配通道的大型树间空间提供了易于进入的孔隙率。所报道的策略提供了一种通用技术，通过超细纳米颗粒的分级组装来制造高纵横比的三维二氧化钛微结构。除了光催化和催化应用外，这种材料对于那些同时需要高表面积与体积比和高效质量传输的应用也可能具有价值。