CN101215001A - 一种金红石型二氧化钛微球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金红石型二氧化钛微球的制备方法。该方法将钛酸四丁酯溶于浓度为1.5~2.5mol/L的HCl溶液中,钛酸四丁酯在混合后溶液中的浓度为0.1~1.0mol/L,将混合液放入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在100~180℃下水热反应6~24h,自然冷却后,产物洗涤、过滤、干燥即可得直径为300~500nm的二氧化钛微球。本发明可一步合成金红石型二氧化钛微球,合成温度较低,方法简单,易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于无机纳米粉体材料制备,具体涉及一种金红石型二氧化钛微球的制备方法。
背景技术
二氧化钛是一种应用广泛的宽带隙半导体材料,因其稳定性好,对人体无毒,并具有湿敏、压敏、气敏和良好的光催化及光电转换性能而被广泛应用于传感器、光催化剂、电子材料、油漆材料以及其他化工原料等领域,并有望利用太阳能在有机合成、光解水、环境治理等领域显示广阔的应用前景。
目前,制备的二氧化钛大多都是颗粒状粉体。但是随着电子器件、三维激光器和特种陶瓷等领域对材料的要求越来越高,颗粒状二氧化钛已不能满足高新技术的要求。三维结构材料因其具有特殊的形貌结构,如具有较高的比表面积等,而在催化、太阳能电池、三维激光器件以及增加陶瓷性能等领域引起了人们的关注。美国陶瓷学会会志(J.Am.Ceram.Soc.2006,89:2660-2663)报道了通过溶液法制备具有三维结构的花状二氧化钛微球。但由于其在金属钛片上进行氧化处理,得到的产物很难与衬底分离,且比表面积较小,产量低,不利于进一步的生产应用。石可瑜(催化学报,2002,23(4):301-304)以钛酸正丁酯为原料,采用溶胶-凝胶法制备了二氧化钛溶胶,然后将二氧化钛溶胶与苯酚混合后加入正庚烷分散介质中,再滴加甲醛水溶液,通过反向悬浮聚合过程制备了以酚醛树脂为模板的二氧化钛的复合微球,煅烧处理后得到了直径为200~500μm锐钛矿型二氧化钛晶粒多孔微球。但这种方法存在着制备过程繁琐、成本相对较高,难以大规模工业化生产等缺点。另外,制备三维二氧化钛还可以通过添加大量有机物或无机材料助剂合成,在后续处理过程中再将这些助剂清除去。但这些助剂通常难于除净,残留在材料中,将严重影响材料的性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有制备技术中存在的缺点,提供一种工艺过程简单易控、反应温度较低、生产周期短、对环境无污染或污染较少,适合工业化生产的金红石型二氧化钛微球的制备方法。
二氧化钛有3种晶型:即金红石型、锐钛矿型和板钛矿型。本发明制备的是金红石型二氧化钛。
为实现本发明目的,本发明所采用的技术方案如下:
一种金红石型二氧化钛微球的制备方法,包括如下步骤:
将钛酸四丁酯溶于1.5~2.5mol/L的HCl溶液中,钛酸四丁酯在混合后溶液中的浓度为0.1~1.0mol/L,将混合液放入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在100~180℃下水热反应6~24h,自然冷却后,产物经洗涤、过滤、干燥即可得二氧化钛微球。
为进一步实现本发明目的,所述的HCl溶液浓度优选为1.8~2.2mol/L。
所述的钛酸四丁酯在混合后溶液中的浓度优选为0.3~0.6mol/L。
所述的水热反应温度优选为120~160℃。
所述的水热反应时间优选为12~20h。
所述的过滤为常温减压抽滤。
所述的洗涤为依次采用蒸馏水和无水乙醇超声洗涤。
所述的干燥温度为60~100℃,干燥时间为12~24h。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)原材料简单易得、反应温度较低、时间短、污染较小,属于低能耗、节能型绿色合成方法,有利于降低生产成本,符合当前国家提倡的节能减排的方针。
(2)本方法一步合成二氧化钛微球,无需后煅烧处理,工艺过程简单易行,克服了现有二氧化钛微球制备过程中存在的工艺过程繁琐、成本相对较高、难以大规模工业化生产等问题,具有良好工业化生产的前景。
附图说明
图1为本发明实施例1~3产物的X射线衍射图;
图2为本发明实施例1产物的低倍扫描电镜(SEM)图;
图3为本发明实施例1产物的高倍扫描电镜(SEM)图;
图4为本发明实施例1产物的低倍透射电镜(TEM)图;
图5为本发明实施例1产物的高倍透射电镜(TEM)图。
具体实施方式
为了更好理解本发明,下面结合实施例对本发明作进一步说明,但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1
在磁力搅拌下,将1.7mL钛酸四丁酯逐滴缓慢加入到8.3mL浓度为2.0mol/L的HCl溶液中(滴加速度控制在1滴/秒左右),使之混合均匀,钛酸四丁酯在混合后溶液中的最终浓度为0.5mol/L。将混合液转入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在140℃恒温箱内反应10h后,取出自然冷却至室温,打开反应釜,倾析上层清夜,依次用蒸馏水和无水乙醇充分超声洗涤,在室温下用减压抽滤得白色固体产物,再将产物在60℃下干燥24h,即可得到金红石型二氧化钛微球,产率可达92.9%。附图1中曲线1为本实施例所得产物的X射线衍射图,从图中可以看出,各衍射峰的峰位与金红石型TiO2的标准卡片(JCPDS No.21-1276)上衍射峰位相吻合,且无杂相峰出现,说明产物为纯的金红石型TiO2。附图2为本实施例所得产物的低倍SEM图,从图2中可以看出,所得二氧化钛微球的颗粒尺寸在300~500nm之间。附图3为本实施例所得产物高倍SEM图,从图3中可以看出二氧化钛是由纳米棒放射状定向自组装堆积而成的。附图4为本实施例所得产物的低倍TEM图,该图再次证明所得TiO2微球由纳米棒定向堆积而成,这一结果和扫描电镜图3相符。图5为本实施例所得产物的高倍TEM图,图中为从TiO2微球上散落下来的纳米棒。从图中可以看出,纳米棒的直径约为10~20nm,长度约为150~250nm。后面实施例所得二氧化钛微球的SEM图、TEM图与本实施例图形相似,不再另外说明。
实施例2:
在磁力搅拌下,将0.3mL钛酸四丁酯逐滴缓慢加入到9.7mL浓度为1.5mol/L的HCl溶液中,使之混合均匀,钛酸四丁酯在混合后溶液中的最终浓度为0.1mol/L。将混合液转入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在160℃恒温箱内反应8h后,取出自然冷却至室温,打开反应釜,倾析上层清夜,依次用蒸馏水和无水乙醇充分超声洗涤,在室温下用减压抽滤得白色固体产物,再将产物在80℃下干燥18h,即可得到金红石型二氧化钛微球,产率可达90.1%。附图1中曲线2为本实施例所得产物的X射线衍射图,从图中可以看出,各衍射峰的峰位与金红石型TiO2的标准卡片(JCPDS No.21-1276)上衍射峰位相吻合,且无杂相峰出现,说明产物为纯的金红石型TiO2。
实施例3
在磁力搅拌下,将1.0mL钛酸四丁酯逐滴缓慢加入到9.0mL浓度为1.8mol/L的HCl溶液中,使之混合均匀,钛酸四丁酯在混合后溶液中的最终浓度为0.3mol/L。将混合液转入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在120℃恒温箱内反应15h后,取出自然冷却至室温,打开反应釜,倾析上层清夜,依次用蒸馏水和无水乙醇充分超声洗涤,在室温下用减压抽滤得白色固体产物,再产物在100℃下干燥12h,即可得到金红石型二氧化钛微球,产率可达85.2%。附图1中曲线3为本实施例所得产物的X射线衍射图,从图中可以看出,各衍射峰的峰位与金红石型TiO2的标准卡片(JCPDS No.21-1276)上衍射峰位相吻合,且无杂相峰出现,说明产物为纯的金红石型TiO2。
实施例4
在磁力搅拌下,将2.7mL钛酸四丁酯逐滴缓慢加入到7.3mL浓度为2.2mol/L的HCl溶液中,使之混合均匀,钛酸四丁酯在混合后溶液中的最终浓度为0.8mol/L。将混合液转入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在180℃恒温箱内反应24h后,取出自然冷却至室温,打开反应釜,倾析上层清夜,依次用蒸馏水和无水乙醇充分超声洗涤,在室温下用减压抽滤得白色固体产物,再将产物在90℃下干燥21h,即可得到金红石型二氧化钛微球,产率可达80.2%。
实施例5
在磁力搅拌下,将3.4mL钛酸四丁酯逐滴缓慢加入到6.6mL浓度为2.5mol/L的HCl溶液中,使之混合均匀,钛酸四丁酯在混合后溶液中的最终浓度为1.0mol/L。将混合液转入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在100℃恒温箱内反应6h后,取出自然冷却至室温,打开反应釜,倾析上层清夜,依次用蒸馏水和无水乙醇充分超声洗涤,在室温下用减压抽滤得白色固体产物,再将产物在70℃下干燥15h,即可得到金红石型二氧化钛微球,产率可达58.6%。
从上述实施例可以看到,本发明采用水热法一步合成二氧化钛微球,合成方法简单、合成温度较低、生产周期较短,适合工业化生产。
Claims (8)
1.一种金红石型二氧化钛微球的制备方法,其特征在于:将钛酸四丁酯溶于浓度为1.5~2.5mol/L的HCl溶液中,钛酸四丁酯在混合后溶液中的浓度为0.1~1.0mol/L,将混合液放入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在100~180℃下水热反应6~24h,自然冷却后,产物经洗涤、过滤、干燥即可得到二氧化钛微球。
2.根据权利要求1所述的金红石型二氧化钛微球的制备方法,其特征在于:所述的HCl溶液浓度为1.8~2.2mol/L。
3.根据权利要求1所述的金红石型二氧化钛微球的制备方法,其特征在于:所述的钛酸四丁酯在混合后溶液中的浓度为0.3~0.6mol/L。
4.根据权利要求1所述的金红石型二氧化钛微球的制备方法,其特征在于:所述的水热反应温度为120~160℃。
5.根据权利要求1所述的金红石型二氧化钛微球的制备方法,其特征在于:所述的水热反应时间为12~20h。
6.根据权利要求1所述的金红石型二氧化钛微球的制备方法,其特征在于:所述的过滤为常温减压抽滤。
7.根据权利要求1所述的金红石型二氧化钛微球的制备方法,其特征在于:所述的洗涤为依次采用蒸馏水和无水乙醇超声洗涤。
8.根据权利要求1所述的金红石型二氧化钛微球的制备方法,其特征在于:所述的干燥温度为60~100℃,干燥时间为12~24h。
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