CN106698505A - 一种制备单分散TiO2微球纳米粉体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法，该制备方法为溶剂热合成法。首先，以钛酸丁酯Ti(OC₄H₉)₄为钛源，异丙醇(CH₃)₂CHOH为溶剂，搅拌一定时间后加入控制剂二乙烯三胺HN(CH₂CH₂NH₂)₂，再搅拌一定时间后转移至反应釜中，使其在一定温度下进行溶剂热反应；所得产物用去离子水及无水乙醇水洗涤、烘干，最后将前述产物进行热处理，即可得到具有单分散性的TiO₂微球纳米粉体材料。同时探讨了钛源与溶剂的混合配比、加入控制剂的量、溶剂热反应参数、热处理温度等工艺参数对该材料单分散及形貌的影响，得到了制备单分散TiO₂微球纳米粉体的最佳工艺参数。

Description

一种制备单分散TiO2微球纳米粉体的方法

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，尤其是一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法。

背景技术

从上世纪20年代起，随着工业、农业的快速发展，全球性环境污染也开始威胁人类的安全，尤其是空气污染，近年来愈演愈烈，已经直接影响到了人们的生活质量。例如城市大气污染造成空气污浊，室内有害物质的挥发都会造成人们的发病率上升，使人体产生亚健康反应甚至威胁生命安全等等。空气污染问题的日趋严重，使得寻求更加高效、经济、环保的材料及技术工艺处理污染问题已经成为目前人们所关注的热点领域。

纳米TiO₂作为一种优秀的半导体材料，具有许多良好的特性。比如无毒害、高催化活性、高稳定性以及较高的光电转换效率，制备成本低廉，在能源和环保领域具有广泛的应用前景。

而在各种空气污染处理工艺中，比如植物消除、活性炭吸附、化学分解、负离子等等，由于各自的一些技术缺点，例如耗能高，污染物降解效率低，矿化能力差，二次污染，难以广泛的推广使用。光催化技术能够有效地降解许多结构稳定的污染物，而且使用方便、设备简单、氧化能力高、杀菌能力强、无二次污染。因此，TiO₂在光催化降解污染物方面有着巨大的发展潜力。

在纳米TiO₂粉体制备过程中，由于纳米尺寸颗粒的比表面积和表面张力都很大，极易相互吸附发生团聚，形成聚集体(二次粒子)和附聚体(三次粒子)，而且颗粒的大小和形状往往是决定性能的重要因素。因此我们需要制备一种具有较窄粒径分布、较高比表面积、较好的扩展性及互溶性的单分散纳米TiO₂粉体，使其可以均匀地分散在涂料中或者其他液相材料中去提高TiO₂的光催化效率，充分发挥纳米材料的性能，进而有效解决纳米TiO₂粉体易团聚失活的缺点和负载型TiO₂比表面积低的问题。

单分散纳米TiO₂微球粉体的制备方法主要有两种形式：气相法和液相法。但气相反应需要使前驱体气化，能耗高；另外反应需要在瞬间完成气化过程，对实验设备，材质，物料进出口均要求很高，技术上存在一些问题。液相法中的水热法相比气相法合成温度低、设备简单、易操作，且可控、结晶度高，适合于制备单分散纳米粉体。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法。

本发明的技术方案是：一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法,采用溶剂热合成法，步骤如下：

步骤一：以钛酸丁酯Ti(OC₄H₉)₄为前驱体，异丙醇(CH₃)₂CHOH为溶剂，将异丙醇溶液加入到钛酸丁酯溶液里，搅拌，使溶液充分混合；

步骤二：向步骤一所得的溶液中缓慢加入0.05-0.1mL的控制剂二乙烯三胺HN(CH₂CH₂NH₂)₂，搅拌；

步骤三：将步骤二所得的溶液转移至水热釜内胆中，烘箱温度升至170-180℃后，再将反应釜放入烘箱中，一定条件下进行溶剂热反应；

步骤四：将步骤三所得的产物自然冷却，7000r/min离心8min，取沉淀物用去离子水及无水乙醇洗涤4次至上清液pH值呈中性、烘干；

步骤五：将前述产物置于马弗炉中进行热处理，即可得到具有单分散性的TiO₂微球纳米粉体材料。

进一步的，所述步骤一中的搅拌条件为常温下磁力搅拌5min。

进一步的，所述步骤一中的钛酸丁酯的纯度≥98.0％，异丙醇的纯度≥99.7％。

进一步的，所述钛酸丁酯与异丙醇的物质的量比为1:9.3。

进一步的，所述步骤二中的搅拌条件为常温磁力搅拌15min。

进一步的，所述步骤二中的二乙烯三胺的纯度≥98.0％。

进一步的，所述步骤三中的一定条件是温度170-180℃，水热反应12h，停止反应，冷却至室温后，再在温度170-180℃下水热反应12h。

进一步的，所述步骤四中的烘干条件为温度55-65℃，时间2.5h。

进一步的，所述步骤五中的热处理条件为升温速率1℃/min，200℃保温1h，300℃保温1h，升至400℃后保温2h。

进一步的，所述步骤五中的具有单分散性的TiO₂微球纳米粉体材料为白色粉体，其中TiO₂纳米微球直径范围为450nm-550nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明重复制备的产物单分散稳定。

(2)本发明采用的溶剂热合成工艺过程较为简单，易于实现，便于控制。

(3)本发明所得到的TiO₂纳米粉体光催化活性高，其纳米微球直径范围：500-600nm。

附图说明

图1是放大倍数2500倍时本发明样品的SEM图。

图2是放大倍数45000倍时本发明样品的TEM图。

图3是标尺为200nm时本发明样品的TEM图。

图4是标尺为10nm时本发明样品TEM图。

图5是本发明样品的XRD图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法,采用溶剂热合成法，步骤如下：

步骤一：以钛酸丁酯Ti(OC₄H₉)₄为前驱体，异丙醇(CH₃)₂CHOH为溶剂，钛酸丁酯的纯度≥98.0％，异丙醇的纯度≥99.7％，称取3.52g 10mmoL的钛酸丁酯，将其倒入烧杯中，再加入71mL异丙醇，常温下磁力搅拌5min，使溶液充分混合；

步骤二：向步骤一所得的溶液中缓慢加入0.05mL纯度≥98.0％的二乙烯三胺HN(CH₂CH₂NH₂)₂，常温磁力搅拌15min至溶液混合均匀；

步骤三：将步骤二所得的溶液置于100mL自生压反应釜内衬中，烘箱温度升至180℃后，再将反应釜放入烘箱中，水热反应12h，停止反应，冷却至室温后，再在温度180℃下水热反应12h。

步骤四：将步骤三所得的产物自然冷却至室温，7000r/min离心8min，取沉淀物用无水乙醇洗涤4次至上清液pH值呈中性，洗涤完毕后将产物置于坩埚中，放于65℃烘箱中进行干燥，干燥时间2.5h；

步骤五：将前述产物置于马弗炉中进行热处理，升温速率设定为1℃/min，200℃保存1h，300℃保温1h，升至400℃后保温2h，最后得到白色粉体，即可得到具有单分散性的TiO₂微球纳米粉体材料，其中TiO₂纳米微球直径范围为500-550nm。

实施例2：

一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法,采用溶剂热合成法，步骤如下：

步骤一：以钛酸丁酯Ti(OC₄H₉)₄为前驱体，异丙醇(CH₃)₂CHOH为溶剂，钛酸丁酯的纯度≥98.0％，异丙醇的纯度≥99.7％，称取3.52g 10mmoL的钛酸丁酯，将其倒入烧杯中，再加入71mL异丙醇，常温下磁力搅拌5min，使溶液充分混合；

步骤二：向步骤一所得的溶液中缓慢加入0.10mL纯度≥98.0％的二乙烯三胺HN(CH₂CH₂NH₂)₂，常温磁力搅拌15min至溶液混合均匀；

步骤三：将步骤二所得的溶液置于100mL自生压反应釜内衬中，烘箱温度升至180℃后，再将反应釜放入烘箱中，温度180℃，水热反应12h，停止反应，冷却至室温后，再在温度180℃下水热反应12h。

步骤四：将步骤三所得的产物自然冷却至室温，7000r/min离心8min，取沉淀物用无水乙醇洗涤4次至上清液pH值呈中性，洗涤完毕后将产物置于坩埚中，放于55℃烘箱中进行干燥，干燥时间2.5h；

步骤五：将前述产物置于马弗炉中进行热处理，升温速率设定为1℃/min，200℃保存1h，300℃保温1h，升至400℃后保温2h，最后得到白色粉体，即可得到具有单分散性的TiO₂微球纳米粉体材料，其中TiO₂纳米微球直径范围为500-550nm。

实施例3：

一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法,采用溶剂热合成法，步骤如下：

步骤一：以钛酸丁酯Ti(OC₄H₉)₄为前驱体，异丙醇(CH₃)₂CHOH为溶剂，钛酸丁酯的纯度≥98.0％，异丙醇的纯度≥99.7％，称取3.52g 10mmoL的钛酸丁酯，将其倒入烧杯中，再加入71mL异丙醇，常温下磁力搅拌5min，使溶液充分混合；

步骤二：向步骤一所得的溶液中缓慢加入0.05mL纯度≥98.0％的二乙烯三胺HN(CH₂CH₂NH₂)₂，常温磁力搅拌15min至溶液混合均匀；

步骤三：将步骤二所得的溶液置于100mL自生压反应釜内衬中，烘箱温度升至170℃后，再将反应釜放入烘箱中，温度170℃，水热反应12h，停止反应，冷却至室温后，再在温度170℃下水热反应12h。

步骤四：将步骤三所得的产物自然冷却至室温，7000r/min离心8min，取沉淀物用无水乙醇洗涤4次至上清液pH值呈中性，洗涤完毕后将产物置于坩埚中，放于55℃烘箱中进行干燥，干燥时间2.5h；

步骤五：将前述产物置于马弗炉中进行热处理，升温速率设定为1℃/min，200℃保存1h，300℃保温1h，升至400℃后保温2h，最后得到白色粉体，即可得到具有单分散性的TiO₂微球纳米粉体材料，其中TiO₂纳米微球直径范围为450-500nm。

实施例4：

一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法,采用溶剂热合成法，步骤如下：

步骤一：以钛酸丁酯Ti(OC₄H₉)₄为前驱体，异丙醇(CH₃)₂CHOH为溶剂，钛酸丁酯的纯度≥98.0％，异丙醇的纯度≥99.7％，称取3.52g 10mmoL的钛酸丁酯，将其倒入烧杯中，再加入71mL异丙醇，常温下磁力搅拌5min，使溶液充分混合；

步骤二：向步骤一所得的溶液中缓慢加入0.10mL纯度≥98.0％的二乙烯三胺HN(CH₂CH₂NH₂)₂，常温磁力搅拌15min至溶液混合均匀；

步骤三：将步骤二所得的溶液置于100mL自生压反应釜内衬中，烘箱温度升至170℃后，再将反应釜放入烘箱中，温度170℃，水热反应12h，停止反应，冷却至室温后，再在温度170℃下水热反应12h。

步骤四：将步骤三所得的产物自然冷却至室温，7000r/min离心8min，取沉淀物用无水乙醇洗涤4次至上清液pH值呈中性，洗涤完毕后将产物置于坩埚中，放于55℃烘箱中进行干燥，干燥时间2.5h；

步骤五：将前述产物置于马弗炉中进行热处理，升温速率设定为1℃/min，200℃保存1h，300℃保温1h，升至400℃后保温2h，最后得到白色粉体，即可得到具有单分散性的TiO₂微球纳米粉体材料，其中TiO₂纳米微球直径范围为500-550nm。

由图4所示，本发明所得的样品表面呈纤维状，图5是样品的XRD图，样品为锐钛矿晶型。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法,其特征在于，采用溶剂热合成法，步骤如下：

步骤一：以钛酸丁酯Ti(OC₄H₉)₄为前驱体，异丙醇(CH₃)₂CHOH为溶剂，将异丙醇溶液加入到钛酸丁酯溶液里，搅拌，使溶液充分混合；

步骤二：向步骤一所得的溶液中缓慢加入0.05-0.1mL的控制剂二乙烯三胺HN(CH₂CH₂NH₂)₂，搅拌；

步骤三：将步骤二所得的溶液转移至水热釜内胆中，烘箱温度升至170-180℃后，再将反应釜放入烘箱中，一定条件下进行溶剂热反应；

步骤四：将步骤三所得的产物冷却，7000r/min离心8min，取沉淀物用去离子水及无水乙醇洗涤4次至上清液pH值呈中性、烘干；

步骤五：将前述产物置于马弗炉中进行热处理，即可得到具有单分散性的TiO₂微球纳米粉体材料。

2.根据权利要求1所述的一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法,其特征在于，所述步骤一中的搅拌条件为常温下磁力搅拌5min。

3.根据权利要求1所述的一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法，其特征在于，所述步骤一中的钛酸丁酯的纯度≥98.0％，异丙醇的纯度≥99.7％。

4.根据权利要求1或3所述的一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法，其特征在于，所述钛酸丁酯与异丙醇的物质的量比为1:9.3。

5.根据权利要求1所述的一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法，其特征在于，所述步骤二中的搅拌条件为常温磁力搅拌15min。

6.根据权利要求1所述的一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法，其特征在于，所述步骤二中的二乙烯三胺的纯度≥98.0％。

7.根据权利要求1所述的一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法，其特征在于，所述步骤三中的一定条件是温度170-180℃，水热反应12h，停止反应，冷却至室温后，再在温度170-180℃下水热反应12h。

8.根据权利要求1所述的一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法，其特征在于，所述步骤四中的烘干条件为温度55-65℃，时间2.5h。

9.根据权利要求1所述的一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法，其特征在于，所述步骤五中的热处理条件为升温速率1℃/min，200℃保温1h，300℃保温1h，升至400℃后保温2h。

10.根据权利要求1所述的一种制备单分散TiO₂微球纳米粉体的方法，其特征在于，所述步骤五中的具有单分散性的TiO₂微球纳米粉体材料为白色粉体，其中TiO₂纳米微球直径范围为450nm-550nm。