CN102208658B - 一种纳米Ti4O7颗粒的制备方法 - Google Patents

一种纳米Ti4O7颗粒的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米Ti4O7颗粒的制备方法,属于纳米材料技术领域。其步骤包括:首先合成表面包覆的TiO2,然后在还原性气氛中热处理,获得存在表面包覆的Ti4O7,接下来用刻蚀剂除去表面包覆层获得纯相Ti4O7颗粒。SiO2的包覆使得TiO2在高温还原时不易发生团聚,有利于生成纳米Ti4O7颗粒,本方法制备的Ti4O7颗粒表面的SiO2可以由氢氟酸或钾、钠的氢氧化物除去从而获得了纯相Ti4O7颗粒。

Description

一种纳米Ti4O7颗粒的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米Ti4O7颗粒的制备方法,属于纳米材料技术领域。
背景技术
在燃料电池中,催化剂的催化活性及稳定性对燃料电池的性能有着极为关键的作用。目前,Pt/C是低温燃料电池最常用的电催化剂。然而,炭黑等碳质载体的腐蚀被认为是导致电池性能衰减的因素之一。寻求能在燃料电池苛刻的运行件下(高湿度、强酸性、高电位等)抗氧化抗腐蚀的稳定载体,对改善燃料电池的使用寿命具有重要意义。
TiO2等氧化物用作燃料电池催化剂载体成为近年来的研究热点,虽然氧化物的稳定性优于碳质载体,但大多数氧化物为半导体,低电导率制约了其在燃料电池领域的应用。低值钛氧化物Ti4O7因其具有高电导率、高稳定性等优点,在电化学领域逐步得到了应用。但通常的制备方法获得的Ti4O7粒径大,不利于催化剂在其表面的均匀分散,不利于提高催化剂的电化学活性面积。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种纳米Ti4O7的制备方法。
本发明的一种纳米Ti4O7的制备方法,其特征在于,首先合成表面包覆的TiO2,然后在还原性气氛中热处理,获得存在表面包覆的Ti4O7,接下来用刻蚀剂除去表面包覆层获得纯相Ti4O7颗粒,包括以下各步骤:
(1)在氢氧化钠或氢氧化钾溶液中,按氢氧化钠或氢氧化钾与TiO2物质的量之比100∶1~20加入TiO2粉末并搅拌使之混合均匀,然后在搅拌的条件下加热回流10~30小时后,离心分离并用酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得白色粉末A。
(2)将步骤(1)所得白色粉末物分散在有机溶剂中,加入包覆剂并用氨水调节pH=8~10,搅拌2~20小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末B。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在900℃~1200℃,氢气气氛下热处理1~6小时,即得存在表面包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在刻蚀剂中,超声2~8小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
步骤(1)中所述的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液的浓度为8mol/L~12mol/L;洗涤所用的酸为盐酸;白色粉末A为功能化的TiO2
步骤(2)中所述的有机溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇中的一种;包覆剂为硅酸四乙酯;包覆剂与TiO2的物质的量比为1~10∶5;白色粉末B为表面存在包覆物的TiO2
步骤(3)中所述的氢气纯度不小于99.9%;表面包覆物为SiO2
步骤(4)中所述的刻蚀剂为氢氟酸、氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的一种,其中氢氟酸的质量浓度为2%~4%,氢氧化钠、氢氧化钾的浓度均不小于5mol/L。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
首先,本发明用硅酸四乙酯为SiO2的前躯体合成SiO2包覆的TiO2。由于SiO2的包覆使得TiO2在高温还原时不易发生团聚,有利于生成纳米Ti4O7颗粒,粒径100nm左右。
其次,本方法制备的Ti4O7颗粒表面的SiO2可以由氢氟酸或钾、钠的氢氧化物除去,从而获得了纯相Ti4O7颗粒。
再次,本方法制备的Ti4O7颗粒用作燃料电池催化剂载体时,非常有利于催化剂在其表面的均匀分散。
附图说明
图1是实施例1制备的Ti4O7与Ti4O7标准衍射图;
图2是实施例4中制备的Ti4O7的透射电镜图;
图3是实施例9中制备的Ti4O7负载Pt以后的透射电镜图。
具体实施方式
实施例1
(1)在200ml浓度10mol/L的氢氧化钠溶液中加入2克TiO2,并搅拌使之混合均匀。然后在搅拌的条件下加热回流20小时后,离心分离并用盐酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得到功能化的TiO2粉末。
(2)将步骤(1)所得功能化的TiO2粉末分散在200ml的乙醇中,加入0.01摩尔硅酸四乙酯并用氨水调节pH=8。搅拌10小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在1000℃于99.999%纯度氢气气氛下热处理4小时,即得SiO2包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在2%的氢氟酸中,超声4小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
实施例2
(1)在200ml浓度10mol/L的氢氧化钾溶液中加入3克TiO2,并搅拌使之混合均匀。然后在搅拌的条件下加热回流25小时后,离心分离并用盐酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得到功能化的TiO2粉末。
(2)将步骤(1)所得功能化的TiO2粉末分散在200ml的乙醇中,加入0.01摩尔硅酸四乙酯并用氨水调节pH=9。搅拌10小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在1050℃于99.999%纯度氢气气氛下热处理3小时,即得SiO2包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在2%的氢氟酸中,超声4小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
实施例3
(1)在300ml浓度10mol/L的氢氧化钠溶液中加入4克TiO2,并搅拌使之混合均匀。然后在搅拌的条件下加热回流15小时后,离心分离并用盐酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得到功能化的TiO2粉末。
(2)将步骤(1)所得功能化的TiO2粉末分散在300ml的乙醇中,加入0.01摩尔硅酸四乙酯并用氨水调节pH=10。搅拌10小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在1100℃于99.999%纯度氢气气氛下热处理2小时,即得SiO2包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在2%的氢氟酸中,超声5小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
实施例4
(1)在200ml浓度11mol/L的氢氧化钾溶液中加入2克TiO2,并搅拌使之混合均匀。然后在搅拌的条件下加热回流13小时后,离心分离并用盐酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得到功能化的TiO2粉末。
(2)将步骤(1)所得功能化的TiO2粉末分散在200ml的乙醇中,加入0.01摩尔硅酸四乙酯并用氨水调节pH=9。搅拌18小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在1000℃于99.999%纯度氢气气氛下热处理4小时,即得SiO2包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在4%的氢氟酸中,超声3小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
实施例5
(1)在200ml浓度11mol/L的氢氧化钠溶液中加入2克TiO2,并搅拌使之混合均匀。然后在搅拌的条件下加热回流10小时后,离心分离并用盐酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得到功能化的TiO2粉末。
(2)将步骤(1)所得功能化的TiO2粉末分散在200ml的乙醇中,加入0.01摩尔硅酸四乙酯并用氨水调节pH=10。搅拌12小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在1000℃于99.999%纯度氢气气氛下热处理4小时,即得SiO2包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在7mol/L的氢氧化钾中,超声5小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
实施例6
(1)在200ml浓度11mol/L的氢氧化钠溶液中加入2克TiO2,并搅拌使之混合均匀。然后在搅拌的条件下加热回流20小时后,离心分离并用盐酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得到功能化的TiO2粉末。
(2)将步骤(1)所得功能化的TiO2粉末分散在200ml的乙醇中,加入0.01摩尔硅酸四乙酯并用氨水调节pH=10。搅拌14小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在1100℃于99.999%纯度氢气气氛下热处理2小时,即得SiO2包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在2%的氢氟酸中,超声4小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
实施例7
(1)在200ml浓度11mol/L的氢氧化钠溶液中加入2克TiO2,并搅拌使之混合均匀。然后在搅拌的条件下加热回流22小时后,离心分离并用盐酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得到功能化的TiO2粉末。
(2)将步骤(1)所得功能化的TiO2粉末分散在200ml的乙醇中,加入0.02摩尔硅酸四乙酯并用氨水调节pH=9。搅拌8小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在1150℃于99.999%纯度氢气气氛下热处理1小时,即得SiO2包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在7mol/L的氢氧化钠中,超声7小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
实施例8
(1)在200ml浓度11mol/L的氢氧化钠溶液中加入6克TiO2,并搅拌使之混合均匀。然后在搅拌的条件下加热回流20小时后,离心分离并用盐酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得到功能化的TiO2粉末。
(2)将步骤(1)所得功能化的TiO2粉末分散在200ml的丙醇中,加入0.03摩尔硅酸四乙酯并用氨水调节pH=9。搅拌15小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在1100℃于99.999%纯度氢气气氛下热处理2小时,即得SiO2包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在6mol/L的氢氧化钾中,超声8小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
实施例9
(1)在200ml浓度10mol/L的氢氧化钾溶液中加入2克TiO2,并搅拌使之混合均匀。然后在搅拌的条件下加热回流10小时后,离心分离并用盐酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得到功能化的TiO2粉末。
(2)将步骤(1)所得功能化的TiO2粉末分散在200ml的异丙醇中,加入0.02摩尔硅酸四乙酯并用氨水调节pH=10。搅拌8小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末。
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在1100℃于99.999%纯度氢气气氛下热处理2小时,即得SiO2包覆的Ti4O7
(4)将步骤(3)所得产物分散在3%的氢氟酸中,超声4小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。
取经以上步骤制备的Ti4O7粉末80mg分散在200ml乙二醇中,同时加入40mg乙酰丙酮铂,先超声分散30分钟,然后加热回流3小时,即可获得一种铂负载量20%的燃料电池催化剂Pt/Ti4O7

Claims (7)

1.一种纳米Ti4O7的制备方法,其特征在于,首先合成表面包覆的TiO2,然后在还原性气氛中热处理,获得存在表面包覆的Ti4O7,接下来用刻蚀剂除去表面包覆层获得纯相Ti4O7颗粒,具体包括以下步骤: 
(1)在氢氧化钠或氢氧化钾溶液中,按氢氧化钠或氢氧化钾与TiO2物质的量之比100:1~20加入TiO2粉末并搅拌使之混合均匀,然后在搅拌的条件下加热回流10~30小时后,离心分离并用酸和去离子水反复洗涤多次,干燥得白色粉末A; 
(2)将步骤(1)所得白色粉末物分散在有机溶剂中,加入包覆剂并用氨水调节pH=8~10,搅拌2~20小时后将白色悬浊物离心分离,水和乙醇反复洗涤,干燥得白色粉末B;所述的包覆剂为硅酸四乙酯; 
(3)将步骤(2)中得到的白色粉末在900℃~1200℃,氢气气氛下热处理1~6小时,即得存在表面包覆的Ti4O7; 
(4)将步骤(3)所得产物分散在刻蚀剂中,超声2~8小时即可获得纳米Ti4O7颗粒。 
2.按照权利要求1的方法,其特征在于,步骤(1)中所述的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液的浓度为8mol/L~12mol/L;洗涤所用的酸为盐酸。 
3.按照权利要求1的方法,其特征在于,步骤(2)中所述的有机溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇中的一种。 
4.按照权利要求1的方法,其特征在于,步骤(2)的包覆剂与TiO2的物质的量比为1~10:5。 
5.按照权利要求1的方法,其特征在于,步骤(3)中所述的氢气纯度不小于99.9%。 
6.按照权利要求1的方法,其特征在于,步骤(4)中所述的刻蚀剂为氢氟酸、 氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的一种。 
7.按照权利要求6的方法,其特征在于,氢氟酸的质量浓度为2%~4%,氢氧化钠、氢氧化钾的浓度均不小于5mol/L。 
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