CN102502810B - 一种多孔纳米TiO2的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔纳米TiO₂的制备方法，该方法按照钛酸酯、可升华的化合物模板、有机溶剂、酸和去离子水的质量百分比为(0.001％～80％)∶(0.00001％～50％)∶(0.001％～95％)∶(0.001％～90％)∶(0.001％～95％)的比例，将钛酸酯、可升华的化合物、有机溶剂和酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用超声波分散0.1h～20h，搅拌下在25℃～85℃反应0.1h～50h，室温陈化1h～48h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，60℃～130℃烘干，分别在150℃～240℃下焙烧0.1h～20h，250℃～340℃下焙烧0.1h～20h，350℃～440℃下焙烧0.1h～20h，450℃下焙烧0.1h～20h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉末。可应用于光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物、紫外吸收材料、纺织、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中、锂电池中，具有广阔的应用前景。该方法工艺简单易行，投资小，有利于推广应用。

Description

一种多孔纳米TiO2的制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔纳米TiO₂的制备方法，属于光催化材料领域。 

背景技术

随着工业化进程的加快，能源消费的急剧增加，环境污染日益严重。在环境污染中，化学污染占各类污染的80％～90％，产生污染的主要原因是化学工业生产排出的废气、废水和废渣。据国家统计局发布的数据显示，目前我国是全球二氧化硫第一大排放国和二氧化碳第二大排放国。工业废水排放量也大幅增加，使得30％的重点城市饮用水源地水质达不到III类标准，流经城市90％的河段受到不同程度的污染，湖泊、水库富营养化程度加重。工业固体废物的排放状况也不容乐观。目前，我国工业固体废物的堆放存量已经达到73亿吨，占用和毁坏土地200万亩，对水土造成严重污染。 

人类能源消费的剧增、化石燃料的匮乏至枯竭以及生态环境的日趋恶化，迫使人们不得不思考人类社会的能源问题。国民经济的可持续发展，依仗能源的可持续供给，这就必须研究开发新能源和可再生能源。太阳能是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、全球各国均能够自由和平利用的能源，也是各种可再生能源如生物质能、风能、海洋能、水能等其它能源之本。据估计，太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，如果把地球表面0.1％的太阳能转换为电能，转换效率5％，每年发电量可达5.6×10¹²千瓦小时，相当于目前世界年耗能源的40倍。随着全球能源危机和环境危机日益加深，可再生新能源的开发备受关注，各国政府都十分重视可再生能源的开发，是各国大力投入的热门研究领域。 

环境污染严重危害生态环境，破坏生态平衡，只有加大清洁能源的开发力度，不断提高清洁能源比例，使用清洁工艺治理环境污染，保护生态环境，才是人类可持续发展的必由之路。太阳能是诸多可再生能源中最受关注的新能源之一，目前，太阳能的利用方式主要有光热转换、光电转换、光化学能转换(光催化分解水制氢)、光催化降解有机污染物等方式。光化学能转换(光催化分解水制氢)、光催化降解有机污染物的关键材料是光催化材料(即光催化剂)。 

光催化剂是一类开发利用太阳能必备的半导体材料。目前，已被科学家们研究的半导体光催化剂种类繁多，如TiO₂、RuO₂、ZnO、Fe₂O₃、CdS、SrTiO₃、CuO/SrTiO₃、NiO/SrTiO₃和Sr₃Ti₂O₇等，在众多半导体光催化剂中，TiO₂最受关注。与其它半导体相比，TiO₂具有稳定性高、耐光腐蚀、耐化学腐蚀、难溶、环境友好、资源丰富和应用成本低等特点，是最有前途的光催化剂之一。由于TiO₂的带隙高达3.2eV，只能吸收紫外光分解水制氢，不能直接将可见光转化为化学能。到达地面的太阳辐射能中紫外光能仅占5％左右，可见光能却高达50％左右，因此，用太阳光作光源辐射TiO₂直接进行光催化分解水制氢和光催化降解污染物的效率极低，不可能达到实际应用的目的，这使得改性TiO₂成为一个全球范围内十分活跃的研究热点。目前，提高TiO₂光催化效率的方法主要有TiO₂纳米化和多孔化、贵金属负载、金属离子 掺杂、非金属掺杂、染料和窄带隙半导体敏化、与其它半导体复合等方法。 

材料的结构与性能密切相关，结构决定性能，材料结构的可控制备是材料科学领域的热点研究方向，是制备高性能材料的重要手段。目前关于纳米材料可控制备方法的研究报道很多。自1987年Penner等人提出了纳米材料的模板合成方法以来，模板法因具有工艺简单、操作方便、能耗低等优点，受到了广泛的关注。利用模板法，通过改变模板的直径和其它工艺参数可以获得形状和大小可控的纳米材料。目前已经用于纳米晶、纳米薄膜、半导体、纳米管和纳米线等材料的制备，在纳米材料制备领域具有重要的地位，成为制备高性能材料的重要手段。 

TiO₂纳米化和多孔化是提高TiO₂光催化效率的有效方法之一。制备多孔纳米TiO₂一般采用模板法，模板主要有微乳液模板、乳液模板、离子型表面活性剂模板、非离子型表面活性剂模板、嵌段共聚物模板、组合物模板(如聚氧乙烯十二烷基醚和聚乙二醇)和单分散聚合物颗粒模板等。通过溶胶凝胶反应TiO₂溶胶以次价键与模板作用形成骨架结构，然后采取溶剂萃取法或高温焙烧法除去模板，从而得到与模板尺寸相当的孔穴。但是，使用上述传统的模板制备多孔纳米TiO₂时，无论是采用焙烧法还是萃取法除去模板都存在严重缺陷。焙烧法除去模板时，由于要除尽模板的温度高，会造成孔道的坍塌，使制成的多孔纳米TiO₂半导体光催化剂表面缺陷太多，成为电子-空穴的复合中心，降低光催化效率。萃取法则难以彻底除尽模板，使得多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的纯度降低，导致光催化性能下降。因此，如何制备孔道无坍塌、表面无缺陷、模板无残留和高比表面积的多孔纳米TiO₂半导体光催化剂是一个重要课题。 

由于升华物易升华而容易除去，因此，本发明通过采用升华温度适当的化合物为模板制备TiO₂溶胶，再加热使模板升华除去即可制得多孔纳米TiO₂。与传统的模板法相比，本发明采用升华物为模板可制备结构可控、孔道无坍塌、表面无缺陷、模板无残留和比表面积大的多孔纳米TiO₂半导体光催化剂。目前，关于以可升华的化合物为模板制备多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的方法尚未见文献报道，为多孔纳米TiO₂的制备开辟了一条新途径，具有重要的实际意义。 

发明内容

本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法，提供一种以钛酸酯、溶剂和去离子水为原料，以可升华的化合物为模板，以硝酸为水解抑制剂，通过溶胶凝胶法经超声处理、溶胶凝胶化反应和陈化等工序制得含有升华物模板的溶胶凝胶，再经脱除溶剂、干燥、焙烧和研磨等工序制备多孔纳米TiO₂的方法。 

本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法，所制得的多孔纳米TiO₂，可通过染料敏化、窄带隙半导体敏化、与其它半导体复合等方法，进一步制得可见光敏感的光催化剂，在可见光和太阳光为光源的条件下，可用于光催化降解有机污染物和光催化分解水制氢，也可直接应用于紫外吸收材料、纺织、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中、锂电池中，具有广阔的应用前景。 

本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法，采用如下技术方案： 

按照钛酸酯、可升华的化合物模板、有机溶剂、酸和去离子水的质量百分比为(0.001％～80％)∶(0.00001％～50％)∶(0.001％～95％)∶(0.001％～90％)∶(0.001％～95％)的比例，将钛酸酯、可升华的化合物、有机溶剂和酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用频率为20KHz～1MHz、功率为30W～15KW的超声波分散0.1h～20h，搅拌下在25℃～85℃反应0.1h～50h，室温陈化1h～48h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，60℃～130℃烘干，分别在150℃～240℃下焙烧0.1h～20h，250℃～340℃下焙烧0.1h～20h，350℃～440℃下焙烧0.1h～20h，450℃下焙烧0.1h～20h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉末。 

本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法，其显著的特点是：采用传统的微乳液模板、乳液模板、离子型表面活性剂模板、非离子型表面活性剂模板、嵌段共聚物模板、组合物模板(如聚氧乙烯十二烷基醚和聚乙二醇)和单分散聚合物颗粒模板等模板，通过溶胶凝胶反应使TiO₂溶胶以次价键与模板作用形成骨架结构，然后采取溶剂萃取法或高温焙烧法除去模板时，都存在严重缺陷，如造成孔道坍塌、表面缺陷、比表面积低和模板残留等问题，降低光催化效率；与传统的模板相比，升华物为模板时，升华物易升华而容易除尽，因此，通过采用升华温度适当的化合物为模板制备TiO₂溶胶，再加热焙烧使模板升华，除去模板即可制得结构可控、孔道无坍塌、表面无缺陷、模板无残留和比表面积大的多孔纳米TiO₂，有利于提高光催化效率。 

本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法，反应所用的钛酸酯是钛酸四甲酯、钛酸四乙酯、钛酸四正丙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯、和钛酸四异丁酯中的任一种或多种。 

本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法，反应所用的可升华的化合物模板是对苯醌、三聚氰胺、碘、苯甲酸、草酸、顺丁烯二酸酐、六亚甲基四胺、樟脑、蒽醌、2-羟基苯甲酸、2-氨基苯甲酸、4-联苯甲酸、2-苄基苯甲酸、萘、蒽、邻苯二甲酸、邻苯二甲酸酐、三聚甲醛、间苯二甲酸和三乙胺盐酸盐中的任一种或多种。 

本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法，反应所用的有机溶剂是甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚、异丙醚、甲酸、乙酸、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、丙酮、环己酮、甲基乙基酮、苯、甲苯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯和乙酸异丙酯中的任一种或多种。 

本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法，反应所用的酸是硝酸、盐酸、甲酸、乙酸、氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、草酸、柠檬酸和酒石酸中的任一种或多种。 

本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法，多孔纳米TiO₂的制备过程中所用的超声波分散器的频率为20KHz～1MHz、功率为30W～15KW。 

具体实施方式

下面是本发明所述的一种多孔纳米TiO₂的制备方法的非限定性实例。这些实例的给出仅仅是为了说明的目的，并不能理解为对本发明的限定。因为在不脱离本发明的精神和范围的基础上，可以对本发明进行许多变换。在这些实施例中，除非特别说明，所有的百分比都是 指质量百分比。 

实施例1 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备： 

钛酸四甲酯：          14.0％ 

钛酸四丁酯：          15.0％ 

三聚氰胺：            0.5％ 

樟脑：                2.5％ 

乙醇：                49.0％ 

丙酮：                5.0％ 

硝酸：                1.0％ 

乙酸：                3.0％ 

去离子水：            10.0％ 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备：按照上述质量百分比，将钛酸四甲酯、钛酸四丁酯、三聚氰胺、樟脑、乙醇、丙酮、硝酸和乙酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用频率为28KHz、功率为1KW的超声波分散1h，搅拌下在75℃反应10h，室温陈化24h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，100℃烘干，分别在180℃焙烧2h，240℃焙烧2h，300℃焙烧2h，400℃焙烧3h，450℃焙烧5h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉末。 

实施例2 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备： 

钛酸四乙酯：          15.0％ 

钛酸四异丙酯：        7.0％ 

苯甲酸：              1.5％ 

蒽：                  1.5％ 

异丙醇：              40.0％ 

甲苯：                18.0％ 

盐酸：                3.0％ 

甲酸：                2.0％ 

去离子水：            12.0％ 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备：按照上述质量百分比，将钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、苯甲酸、蒽、异丙醇、甲苯、盐酸和甲酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用频率为30KHz、功率为1.5KW的超声波分散0.5h，搅拌下在70℃反应15h，室温陈化20h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，120℃烘干，分别在160℃焙烧1h，250℃焙烧1h，300℃焙烧3h，400℃焙烧3h，450℃焙烧4h，自然冷却后研磨得到多孔纳米 TiO₂固体粉末。 

实施例3 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备： 

钛酸四正丙酯：    10.0％ 

钛酸四正丁酯：    20.0％ 

樟脑：            3.5％ 

2-羟基苯甲酸：    1.5％ 

甲醇：            5.0％ 

环己酮：          5.0％ 

乙醇：            42.0％ 

氯乙酸：          1.0％ 

盐酸：            3.0％ 

去离子水：        9.0％ 

多孔纳米Ti0₂半导体光催化剂的制备：按照上述质量百分比，将钛酸四正丙酯、钛酸四正丁酯、樟脑、2-羟基苯甲酸、甲醇、环己酮、乙醇、氯乙酸和盐酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用频率为40KHz、功率为1.5KW的超声波分散2h，搅拌下在70℃反应15h，室温陈化30h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，90℃烘干，分别在170℃焙烧1h，260℃焙烧1h，320℃焙烧3h，400℃焙烧3h，450℃焙烧6h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉末。 

实施例4 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备： 

钛酸四异丙酯：    22.0％ 

钛酸四丁酯：      3.0％ 

4-联苯甲酸：      2.0％ 

萘：              2.0％ 

甲基乙基酮：      6.0％ 

乙醇：            47.0％ 

甲酸：            3.0％ 

硝酸：            2.0％ 

去离子水：        13.0％ 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备：按照上述质量百分比，将钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯、4-联苯甲酸、萘、甲基乙基酮、乙醇、甲酸和硝酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用频率为50KHz、功率为0.8KW的超声波分散2h，搅拌下在65℃反应20h，室温陈化25h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，110℃烘干，分别在200℃ 焙烧2h，260℃焙烧2h，320℃焙烧3h，400℃焙烧3h，450℃焙烧6h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉末。 

实施例5 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备： 

钛酸四丁酯：      32.0％ 

六亚甲基四胺：    4.0％ 

2-氨基苯甲酸：    1.0％ 

乙酸：            5.0％ 

乙酸乙酯：        5.0％ 

乙醇：            40.0％ 

二氯乙酸：        2.0％ 

硝酸：            3.0％ 

去离子水：        8.0％ 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备：按照上述质量百分比，将钛酸四丁酯、六亚甲基四胺、2-氨基苯甲酸、乙酸、乙酸乙酯、乙醇、二氯乙酸和硝酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用频率为28KHz、功率为0.9KW的超声波分散1.5h，搅拌下在60℃反应30h，室温陈化24h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，100℃烘干，分别在170℃焙烧2h，250℃焙烧3h，320℃焙烧2h，380℃焙烧3h，450℃焙烧8h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉末。 

实施例6 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备： 

钛酸四异丁酯：    5.0％ 

钛酸四异丙酯：    26.0％ 

草酸：            2.0％ 

间苯二甲酸：      3.0％ 

三乙胺盐酸盐：    1.0％ 

乙酸异丙酯：      4.0％ 

异丙醇：          14.0％ 

乙醇：            24.0％ 

酒石酸：          1.0％ 

硝酸：            4.0％ 

去离子水：        16.0％ 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备：按照上述质量百分比，将钛酸四异丁酯、钛酸四异丙酯、草酸、间苯二甲酸、三乙胺盐酸盐、乙酸异丙酯、异丙醇、乙醇、酒石酸和 硝酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用频率为28KHz、功率为2KW的超声波分散0.6h，搅拌下在80℃反应15h，室温陈化22h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，95℃烘干，分别在180℃焙烧3h，260℃焙烧2h，300℃焙烧3h，400℃焙烧3h，450℃焙烧4h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉术。 

实施例7 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备： 

钛酸四甲酯：      18.0％ 

钛酸四异丙酯：    11.0％ 

邻苯二甲酸：      3.0％ 

蒽醌：            0.5％ 

三聚甲醛：        1.5％ 

甲苯：            3.0％ 

二氯甲烷：        3.0％ 

异丙醇：          14.0％ 

乙醇：            28.0％ 

盐酸：            2.0％ 

硝酸：            2.0％ 

去离子水：        14.0％ 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备：按照上述质量百分比，将钛酸四甲酯、钛酸四异丙酯、邻苯二甲酸、蒽醌、三聚甲醛、甲苯、二氯甲烷、异丙醇、乙醇、盐酸和硝酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用频率为30KHz、功率为1.2KW的超声波分散0.8h，搅拌下在70℃反应24h，室温陈化36h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，120℃烘干，分别在200℃焙烧2h，260℃焙烧2h，320℃焙烧3h，400℃焙烧3h，450℃焙烧10h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉末。 

实施例8 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备： 

钛酸四正丁酯：    5.0％ 

钛酸四异丙酯：    20.0％ 

钛酸四乙酯：      5.0％ 

2-羟基苯甲酸：    1.0％ 

对苯醌：          2.0％ 

邻苯二甲酸酐：    3.0％ 

乙酸异丙酯：      5.0％ 

甲基乙基酮：      17.0％ 

丙酮：            25.0％ 

乙酸：            3.0％ 

硝酸：            3.0％ 

去离子水：        11.0％ 

多孔纳米TiO₂半导体光催化剂的制备：按照上述质量百分比，将钛酸四正丁酯、钛酸四异丙酯、钛酸四乙酯、2-羟基苯甲酸、对苯醌、邻苯二甲酸酐、乙酸异丙酯、甲基乙基酮、丙酮、乙酸和硝酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用频率为45KHz、功率为3KW的超声波分散2h，搅拌下在70℃反应9h，室温陈化30h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，85℃烘干，分别在150℃焙烧2h，210℃焙烧2h，280℃焙烧1h，320℃焙烧1h，400℃焙烧1h，450℃焙烧10h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉末。 

Claims (6)

1.一种多孔纳米TiO₂的制备方法，其特征在于：按照钛酸酯、可升华的化合物模板、有机溶剂、酸和去离子水的质量百分比为(0.001％～80％)∶(0.00001％～50％)∶(0.001％～95％)∶(0.001％～90％)∶(0.001％～95％)的比例，将钛酸酯、可升华的化合物、有机溶剂和酸混合，搅拌至完全溶解后，加入去离子水，用超声波分散0.1h～20h，搅拌下在25℃～85℃反应0.1h～50h，室温陈化1h～48h得到含升华物模板的TiO₂溶胶，减压蒸馏脱除溶剂，60℃～130℃烘干，分别在150℃～240℃下焙烧0.1h～20h，250℃～340℃下焙烧0.1h～20h，350℃～440℃下焙烧0.1h～20h，450℃下焙烧0.1h～20h，自然冷却后研磨得到多孔纳米TiO₂固体粉末。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于反应所用的钛酸酯是钛酸四甲酯、钛酸四乙酯、钛酸四正丙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯、和钛酸四异丁酯中的任一种或多种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于反应所用的可升华的化合物模板是对苯醌、三聚氰胺、苯甲酸、草酸、顺丁烯二酸酐、六亚甲基四胺、樟脑、蒽醌、2-羟基苯甲酸、2-氨基苯甲酸、4-联苯甲酸、2-苄基苯甲酸、萘、蒽、邻苯二甲酸、邻苯二甲酸酐、三聚甲醛、间苯二甲酸和三乙胺盐酸盐中的任一种或多种。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于反应所用的有机溶剂是甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚、异丙醚、甲酸、乙酸、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、丙酮、环己酮、甲基乙基酮、苯、甲苯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯和乙酸异丙酯中的任一种或多种。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于反应所用的酸是硝酸、盐酸、甲酸、乙酸、氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、草酸、柠檬酸和酒石酸中的任一种或多种。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于多孔纳米TiO₂的制备过程中所用的超声波的频率为20KHz～1MHz、功率为30W～15KW。