CN102319564B - 一种双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球制备方法 - Google Patents
一种双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球制备方法。1）制备单分散、粒径均一的四氧化三铁磁性微球。2）采用溶胶-凝胶法在四氧化三铁表面依次包覆二氧化硅及二氧化钛。3）调节氢氧化钠溶液浓度、水热反应时间等条件，可制备具有单双层空腔结构及海胆状的钛基磁性微球。4）将钛基磁性微球用一定浓度的盐酸溶液处理，然后高温煅烧，得到锐钛矿型的双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球。该方法制备的材料具有高活性锐钛矿二氧化钛晶体结构，表面为海胆状，比表面积大；其双层空腔结构可容纳大量客体分子；微球具有超顺磁性，可实现催化剂的简单快速分离回收；制备成本低，工艺流程可控，易操作，无污染，能耗少。
Description
技术领域
本发明属于纳米复合材料领域，尤其涉及一种双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球制备方法。
背景技术
半导体光催化技术是目前有机物污染净化方面最有前景的技术，可用来进行有机废水的降解、重金属离子的还原、空气净化、杀菌、防雾等。锐钛矿TiO2半导体光催化技术具有高效、环保、能耗低、操作简便、可减少二次污染、对人体无害等特性，而且在实际应用中工艺流程简单，操作条件易控制，在紫外光的照射下，它能够有效氧化降解多种有毒污染物，在可见光照时，它能够通过染料敏化催化降解多种染料污染物。所以锐钛矿TiO2半导体成为最理想的光催化剂，是当前最有应用潜力的一种光催化剂。但是，纳米TiO2作为光催化剂易团聚、再生困难，反应后光催化体系中的催化剂难以回收。因此，研究高效和易分离的光催化剂是当前光催化领域研究的热点和重点。
海胆状形貌的二氧化钛空腔磁性微球是将磁性氧化铁纳米材料与二氧化钛相结合，制备具有顺磁性的磁性光催化剂，可实现光催化剂的简单快速分离回收。海胆状结构微球的比表面积大，可以提高光辐射转化为电能的效率，提高光催化效率。二氧化钛双层空腔结构的微球具有密度小、比表面积大、表面渗透性好、热稳定性好等特性，而且其空腔可容纳大量客体分子或大尺寸客体，可以进行纳米材料、生物活性物质以及药物的包覆，使得其在光电材料、包裹材料、功能材料、药物缓释、生物制药等诸多领域有着极其重要的研究价值和广阔的应用前景。
从相关研究领域申报的专利中，可知目前人们在磁性二氧化钛空心球制备上有采用四氯化钛作为二氧化钛的前体，用共沉淀法制备的尖晶石铁氧体作为磁性组分，采用模板法构筑磁性TiO2空心球，例如（中国，专利号：CN200810240841.4，专利名称：一种磁性二氧化钛空心球及其制备方法；中国，专利号：CN201010278619.0，专利名称：一种在二氧化钛纳米管中掺杂四氧化三铁磁性颗粒的方法）。现有的专利中均未有对微纳米尺度上构筑海胆状双层空腔结构的二氧化钛磁性微球的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用简单易行的化学方法制备一种具有双层空腔结构及海胆状形貌的二氧化钛磁性微球。
本发明技术方案是：一种双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：单分散四氧化三铁磁性微球的制备：在40℃-80℃条件下，将三氯化铁加入乙二醇中，在搅拌条件下加入无水乙酸钠，强烈搅拌0.5-5h，然后将混合溶液转移至密闭容器中，将温度控制在100℃-300℃反应10-36h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到直径在300-700nm的磁性四氧化三铁微球，备用；其中，各物料质量比为：三氯化铁：乙二醇：无水乙酸钠=1: 20-60 : 2-5；
步骤2：将上述步骤制备得到的磁性四氧化三铁微球超声分散于50mL、0.1 molL-1盐酸中，磁性分离，再分别加入乙醇、去离子水和体积浓度为25%-28%的氨水，室温下机械搅拌，再缓慢滴加由正硅酸乙酯和乙醇配制的混合溶液，反应2-10h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球；备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁微球：盐酸：氨水：正硅酸乙酯：乙醇=1：2-8：3-15：0.5-12：300-900；
步骤3：取一定量上述步骤制备的磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球，超声分散于去离子水中，磁性分离，加入乙醇、体积浓度为25%-28%的氨水，超声分散后，在20℃-70℃条件下，强烈机械搅拌，再缓慢加入由钛酸四丁酯和乙醇配制的混合溶液，反应0.5-4h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁/二氧化硅复合微球：氨水：钛酸四丁酯：乙醇=1：0.5-10：5-15：500-1000；
步骤4：取一定量上述步骤制备的四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，加入一定量、一定浓度氢氧化钠溶液，放入密闭容器中，在一定温度下反应一定时间，冷却至室温，收集橘黄色沉淀醇洗、水洗，烘干，得到双层空腔结构及海胆状的钛基磁性微球，备用；其中，具体反应条件为：每毫升氢氧化钠溶液加入0.5-3毫克四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，氢氧化钠水溶液浓度为0.1-4molL-1，水热反应温度为：50℃-200℃, 水热反应时间为：0.5 h -5 h；
步骤5：将上述步骤4中得到的双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球浸泡于10mL、0.1-2 molL-1盐酸溶液中，收集固体，水洗，烘干；然后在300-600℃高温煅烧2-6h，得到双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球。
本发明的有益效果是：该方法制备的材料具有高活性锐钛矿二氧化钛晶体结构，表面为海胆状，比表面积大，可提高光催化效率；具有双层空腔结构，可容纳大量客体分子或大尺寸客体；具有超顺磁性，可实现催化剂的简单快速分离回收；且制备成本低，工艺流程可控，易操作，无污染，能耗少。
附图说明：
图1a. 双层空腔结构及海胆状的钛基微球扫描照片示意图。
图1b. 双层空腔结构及海胆状的钛基微球透镜照片示意图。
图2a.水热反应30min得到的钛基微球透镜照片示意图。
图2b.水热反应60min得到的钛基微球透镜照片示意图。
图2c.水热反应3h得到的钛基微球透镜照片示意图。
图2d.水热反应5h得到的单层空腔结构及海胆状的钛基微球透镜照片示意图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实例一：
步骤1：单分散四氧化三铁磁性微球的制备：在40℃条件下，将三氯化铁加入乙二醇中，在搅拌条件下加入无水乙酸钠，强烈搅拌0.5h，然后将混合溶液转移至密闭容器中，将温度控制在180℃反应10h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到直径在300-700nm的磁性四氧化三铁微球，备用；其中，各物料质量比为：三氯化铁：乙二醇：无水乙酸钠=1：41：3；
步骤2：将上述步骤制备得到的磁性四氧化三铁微球超声分散于50mL、0.1 molL-1盐酸中，磁性分离，再分别加入乙醇、去离子水和体积浓度为25%-28%的氨水，室温下机械搅拌，再缓慢滴加由正硅酸乙酯和乙醇配制的混合溶液，反应6h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球；备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁微球：盐酸：氨水：正硅酸乙酯：乙醇=1：5：9：7：650；
步骤3：取一定量上述步骤制备的磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球，超声分散于去离子水中，磁性分离，加入乙醇、体积浓度为25%-28%的氨水，超声分散后，在40℃条件下，强烈机械搅拌，再缓慢加入由钛酸四丁酯和乙醇配制的混合溶液，反应0.5h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁/二氧化硅复合微球：氨水：钛酸四丁酯：乙醇=1：5：12：800；
步骤4：取0.015克四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，加入10mL、1molL-1氢氧化钠溶液，放入密闭容器中，在120℃条件下反应2h，冷却至室温，收集橘黄色沉淀醇洗、水洗，烘干，得到双层空腔结构及海胆状的钛基磁性微球，备用；
步骤5：将上述步骤4中得到的双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球浸泡于10mL、0.5molL-1盐酸溶液中，收集固体，水洗，烘干；然后在300℃高温煅烧2h，得到双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球（见图1a，1b）。
实例二：
步骤1：单分散四氧化三铁磁性微球的制备：在60℃条件下，将三氯化铁加入乙二醇中，在搅拌条件下加入无水乙酸钠，强烈搅拌1.5h，然后将混合溶液转移至密闭容器中，将温度控制在100℃反应18h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到直径在300-700nm的磁性四氧化三铁微球，备用；其中，各物料质量比为：三氯化铁：乙二醇：无水乙酸钠=1：20：2；
步骤2：将上述步骤制备得到的磁性四氧化三铁微球超声分散于50mL、0.1 molL-1盐酸中，磁性分离，再分别加入乙醇、去离子水和体积浓度为25%-28%的氨水，室温下机械搅拌，再缓慢滴加由正硅酸乙酯和乙醇配制的混合溶液，反应5h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球；备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁微球：盐酸：氨水：正硅酸乙酯：乙醇=1：2：3：0.5：300；
步骤3：取一定量上述步骤制备的磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球，超声分散于去离子水中，磁性分离，加入乙醇、体积浓度为25%-28%的氨水，超声分散后，在20℃条件下，强烈机械搅拌，再缓慢加入由钛酸四丁酯和乙醇配制的混合溶液，反应4h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁/二氧化硅复合微球：氨水：钛酸四丁酯：乙醇=1：0.5：15：800；
步骤4：取0.015克四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，加入10mL、1molL-1氢氧化钠溶液，放入密闭容器中，在200℃条件下，反应0.5h(见图2a)、1h(见图2b)、3h(见图2c)、5h(见图2d)，冷却至室温，收集橘黄色沉淀醇洗、水洗，烘干，备用；
步骤5：将上述步骤4中得到的双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球浸泡于10mL、0.5molL-1盐酸溶液中，收集固体，水洗，烘干；然后在450℃高温煅烧4h，得到一系列（单双层空腔结构及海胆状的）二氧化钛磁性微球。
实例三：
步骤1：单分散四氧化三铁磁性微球的制备：在70℃条件下，将三氯化铁加入乙二醇中，在搅拌条件下加入无水乙酸钠，强烈搅拌2.5h，然后将混合溶液转移至密闭容器中，将温度控制在200℃反应12h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到直径在300-700nm的磁性四氧化三铁微球，备用；其中，各物料质量比为：三氯化铁：乙二醇：无水乙酸钠=1：60：5；
步骤2：将上述步骤制备得到的磁性四氧化三铁微球超声分散于50mL、0.1 molL-1盐酸中，磁性分离，再分别加入乙醇、去离子水和体积浓度为25%-28%的氨水，室温下机械搅拌，再缓慢滴加由正硅酸乙酯和乙醇配制的混合溶液，反应6h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球；备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁微球：盐酸：氨水：正硅酸乙酯：乙醇=1：8：15：12：1000；
步骤3：取一定量上述步骤制备的磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球，超声分散于去离子水中，磁性分离，加入乙醇、体积浓度为25%-28%的氨水，超声分散后，在50℃条件下，强烈机械搅拌，再缓慢加入由钛酸四丁酯和乙醇配制的混合溶液，反应3h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁/二氧化硅复合微球：氨水：钛酸四丁酯：乙醇=1：3.5：10：1000；
步骤4：取0.015克四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，加入10mL、0.5molL-1氢氧化钠溶液，放入密闭容器中，在100℃条件下反应2h，冷却至室温，收集橘黄色沉淀醇洗、水洗，烘干，得到双层空腔结构及海胆状的钛基磁性微球，备用；
步骤5：将上述步骤4中得到的双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球浸泡于10mL、0.1molL-1盐酸溶液中，收集固体，水洗，烘干；然后在400℃高温煅烧3h，得到双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球。
实例四：
步骤1：单分散四氧化三铁磁性微球的制备：在50℃条件下，将三氯化铁加入乙二醇中，在搅拌条件下加入无水乙酸钠，强烈搅拌4.5h，然后将混合溶液转移至密闭容器中，将温度控制在250℃反应26h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到直径在300-700nm的磁性四氧化三铁微球，备用；其中，各物料质量比为：三氯化铁：乙二醇：无水乙酸钠=1：35：4.5；
步骤2：将上述步骤制备得到的磁性四氧化三铁微球超声分散于50mL、0.1 molL-1盐酸中，磁性分离，再分别加入乙醇、去离子水和体积浓度为25%-28%的氨水，室温下机械搅拌，再缓慢滴加由正硅酸乙酯和乙醇配制的混合溶液，反应6h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球；备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁微球：盐酸：氨水：正硅酸乙酯：乙醇=1：7：6：2-5：750；
步骤3：取一定量上述步骤制备的磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球，超声分散于去离子水中，磁性分离，加入乙醇、体积浓度为25%-28%的氨水，超声分散后，在60℃条件下，强烈机械搅拌，再缓慢加入由钛酸四丁酯和乙醇配制的混合溶液，反应3h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁/二氧化硅复合微球：氨水：钛酸四丁酯：乙醇=1：6.5：5：900；
步骤4：取0.015克四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，加入10mL、2molL-1氢氧化钠溶液，放入密闭容器中，在180℃条件下反应2h，冷却至室温，收集橘黄色沉淀醇洗、水洗，烘干，得到双层空腔结构及海胆状的钛基磁性微球，备用；
步骤5：将上述步骤4中得到的双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球浸泡于10mL、0.1molL-1盐酸溶液中，收集固体，水洗，烘干；然后在500℃高温煅烧5h，得到双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球。
实例五：
步骤1：单分散四氧化三铁磁性微球的制备：在80℃条件下，将三氯化铁加入乙二醇中，在搅拌条件下加入无水乙酸钠，强烈搅拌0.5h，然后将混合溶液转移至密闭容器中，将温度控制在300℃反应36h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到直径在300-700nm的磁性四氧化三铁微球，备用；其中，各物料质量比为：三氯化铁：乙二醇：无水乙酸钠=1：58：3.6；
步骤2：将上述步骤制备得到的磁性四氧化三铁微球超声分散于50mL、0.1 molL-1盐酸中，磁性分离，再分别加入乙醇、去离子水和体积浓度为25%-28%的氨水，室温下机械搅拌，再缓慢滴加由正硅酸乙酯和乙醇配制的混合溶液，反应6h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球；备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁微球：盐酸：氨水：正硅酸乙酯：乙醇=1：3.5：12：10：500；
步骤3：取一定量上述步骤制备的磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球，超声分散于去离子水中，磁性分离，加入乙醇、体积浓度为25%-28%的氨水，超声分散后，在70℃条件下，强烈机械搅拌，再缓慢加入由钛酸四丁酯和乙醇配制的混合溶液，反应1.5h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁/二氧化硅复合微球：氨水：钛酸四丁酯：乙醇=1：10：8：900；
步骤4：取0.015克四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，加入10mL、4molL-1氢氧化钠溶液，放入密闭容器中，在200℃条件下反应6h，冷却至室温，收集橘黄色沉淀醇洗、水洗，烘干，得到双层空腔结构及海胆状的钛基磁性微球，备用；
步骤5：将上述步骤4中得到的双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球浸泡于10mL、0.2molL-1盐酸溶液中，收集固体，水洗，烘干；然后在600℃高温煅烧2.5h，得到双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球。
Claims (1)
1. 一种双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：单分散四氧化三铁磁性微球的制备：在40℃-80℃条件下，将三氯化铁加入乙二醇中，在搅拌条件下加入无水乙酸钠，强烈搅拌0.5-5h，然后将混合溶液转移至密闭容器中，将温度控制在100℃-300℃反应10-36h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到直径在300-700nm的磁性四氧化三铁微球，备用；其中，各物料质量比为：三氯化铁：乙二醇：无水乙酸钠=1: 20-60 : 2-5；
步骤2：将上述步骤制备得到的磁性四氧化三铁微球超声分散于50mL、0.1 molL-1盐酸中，磁性分离，再分别加入乙醇、去离子水和体积浓度为25%-28%的氨水，室温下机械搅拌，再缓慢滴加由正硅酸乙酯和乙醇配制的混合溶液，反应2-10h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球；备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁微球：盐酸：氨水：正硅酸乙酯：乙醇=1：2-8：3-15：0.5-12：300-900；
步骤3：取一定量上述步骤制备的磁性四氧化三铁/二氧化硅复合微球，超声分散于去离子水中，磁性分离，加入乙醇、体积浓度为25%-28%的氨水，超声分散后，在20℃-70℃条件下，强烈机械搅拌，再缓慢加入由钛酸四丁酯和乙醇配制的混合溶液，反应0.5-4h，经过离心、醇洗、水洗，烘干，得到四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，备用；其中，各物料质量比为：四氧化三铁/二氧化硅复合微球：氨水：钛酸四丁酯：乙醇=1：0.5-10：5-15：500-1000；
步骤4：取一定量上述步骤制备的四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，加入一定量、一定浓度氢氧化钠溶液，放入密闭容器中，在一定温度下反应一定时间，冷却至室温，收集橘黄色沉淀醇洗、水洗，烘干，得到双层空腔结构及海胆状的钛基磁性微球，备用；其中，具体反应条件为：每毫升氢氧化钠溶液加入0.5-3毫克四氧化三铁/二氧化硅/二氧化钛复合微球，氢氧化钠水溶液浓度为0.1-4molL-1，水热反应温度为：50℃-200℃, 水热反应时间为：0.5 h -5 h；
步骤5：将上述步骤4中得到的双层空腔结构及海胆状的钛基磁性微球浸泡于10mL、0.1-2molL-1盐酸溶液中，收集固体，水洗，烘干；然后在300-600℃高温煅烧2-6h，得到双层空腔结构及海胆状的二氧化钛磁性微球。
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