CN103816897B - 二氧化钛-银复合核壳结构球及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化钛-银复合核壳结构球及其制备方法和用途。核壳结构球的球壳直径为0.5～1μm、球核直径为0.4～0.8μm，其由重量百分比为85～95wt%的二氧化钛和5～15wt%的银组成，球壳、球核为二氧化钛纳米颗粒与银纳米颗粒复合，二氧化钛纳米颗粒的粒径为8～12nm、银纳米颗粒的粒径为20～100nm；方法为先按照摩尔比为1.5～2.5：3.5～4.5：0.044～0.22的比例，将硫酸氧钛、尿素和硝酸银加入浓度为45～55%的乙醇水溶液中，得到混合溶液，其中，混合溶液中的硫酸氧钛与乙醇水溶液中的乙醇的摩尔比为1：50～250，再将混合溶液置于微波加热密闭状态，于温度为160～200℃下反应5～30min，制得目的产物。它可广泛地用于对受六价铬或亚甲基蓝污染的水进行紫外光催化降解。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合核壳结构球及制备方法和用途，尤其是一种二氧化钛-银复合核壳结构球及其制备方法和用途。
背景技术
作为一种传统的宽禁带半导体材料，二氧化钛（TiO2）具有性质稳定、无毒、光吸收性能好等优点，已被广泛地应用于环境污染物光催化处理技术中。近年来，随着纳米技术的发展，人们将其应用于二氧化钛从而获得了具有更高光利用效率的纳米二氧化钛，如中国发明专利申请CN101857267A于2010年10月13日公布的一种具有核壳结构的二氧化钛纳米材料的制备方法。该制备方法以三价钛盐和葡萄糖为基本原料，历经含钛反应液的形成、二氧化钛核壳前驱体的制作和具有壳核结构的二氧化钛纳米材料的形成的过程而获得产物。然而，这种制备方法存在着不尽人意之处，首先，获得的产物虽因二氧化钛形貌和尺寸的改变而提高了光利用率，却难以再有更大的提升；其次，既不能获得复合有其它金属成分的核壳结构材料，又有着在产物形成过程中的反应时间长达20小时，以及需高温500～550℃焙烧之缺陷。
近期的研究发现，在纳米结构的二氧化钛上复合贵金属银可以进一步地提高材料中光生电荷的分离效率，从而进一步地提高光催化性能。常用的方法多为两步法，即先获得TiO2基体，再通过银源的光还原，或化学还原，或热分解等方法在TiO2基体上复合Ag。这些方法的缺陷一是Ag只能被复合于TiO2基体的表面，不能被复合于具有核壳结构TiO2基体的壳内的核表面；二是Ag的复合效率很低，不仅复合的比例很低，一般低于10%，致使Ag的效能难以充分体现，而且复合时Ag离子转化为Ag的效率太低，造成了大量Ag源的浪费；三是制备的周期很长，不适合大规模的工业化生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，提供一种核与壳均复合有银的二氧化钛-银复合核壳结构球。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法。
本发明要解决的又一个技术问题为提供一种上述二氧化钛-银复合核壳结构球的用途。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：二氧化钛-银复合核壳结构球包括二氧化钛，特别是，
所述复合核壳结构球的球壳直径为0.5～1μm、球核直径为0.4～0.8μm，其由重量百分比为85～95wt%的二氧化钛和5～15wt%的银组成；
所述球壳、球核为二氧化钛纳米颗粒与银纳米颗粒复合，所述二氧化钛纳米颗粒的粒径为8～12nm，所述银纳米颗粒的粒径为20～100nm。
作为二氧化钛-银复合核壳结构球的进一步改进：
所述复合核壳结构球为两只以上球的聚集体。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法采用溶剂热法，特别是主要步骤如下：
先按照摩尔比为1.5～2.5：3.5～4.5：0.044～0.22的比例，将硫酸氧钛、尿素和硝酸银加入浓度为45～55%的乙醇水溶液中，得到混合溶液，其中，混合溶液中的硫酸氧钛与乙醇水溶液中的乙醇的摩尔比为1：50～250，再将混合溶液置于微波加热密闭状态，于温度为160～200℃下反应5～30min，制得位于反应液中的二氧化钛-银复合核壳结构球。
作为二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法的进一步改进：
优选地，对位于反应液中的二氧化钛-银复合核壳结构球进行固液分离、洗涤和干燥的处理；易于目的产物的使用、储存和运输。
较好的是，固液分离处理为离心分离，离心分离的转速为3000～8000r/min、时间为3～8min；分离的效果较好。
较好的是，洗涤处理为使用去离子水和乙醇对分离得到的二氧化钛-银复合核壳结构球洗涤至水溶液呈中性；确保了目的产物的品质。
较好的是，干燥处理为将清洗后的二氧化钛-银复合核壳结构球置于60～80℃下干燥2～10h。
优选地，微波加热时的频率为2450MHz、功率≤1200W；利于银与二氧化钛的充分复合。
优选地，形成密闭状态的载体为聚四氟乙烯高压釜；益于微波作用的发挥。
为解决本发明的又一个技术问题，所采用的又一个技术方案为：上述二氧化钛-银复合核壳结构球的用途为，
将二氧化钛-银复合核壳结构球置于受六价铬或亚甲基蓝污染的水中进行紫外光催化降解。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，对制得的目的产物分别使用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪进行表征，由其结果可知，目的产物为核壳结构的球状物，以及极少量的两只以上核壳结构球状物的聚集体；其中，核壳结构球状物的球壳直径为0.5～1μm、球核直径为0.4～0.8μm，其由重量百分比为85～95wt%的二氧化钛和5～15wt%的银组成，其中的球壳、球核为二氧化钛纳米颗粒与银纳米颗粒复合，二氧化钛纳米颗粒的粒径为8～12nm、银纳米颗粒的粒径为20～100nm。目的产物中的银为四方相金属银。这种由二氧化钛纳米颗粒与银纳米颗粒复合成的目的产物，既由于核壳结构而具备了较大的比表面积；又因二氧化钛光吸收性能好的特点具有了光催化降解性能；还由于复合了银而进一步地提高了光催化降解的性能。
其二，将制得的目的产物作为光催化剂，经分别对受六价铬或亚甲基蓝污染的水进行多次多批量的紫外光催化降解测试，结果表明有着明显的降解效果。测试时的条件和过程为：将40mg的目的产物均匀地分散在浓度为10mg/L的80ml的六价铬或亚甲基蓝溶液中后，先用300W的高压汞灯（发射的中心波长为365nm）照射不同的时间，再分别取样，离心，然后对其进行吸收光谱测定，结合污染物浓度工作曲线，得到浓度等温线。
其三，制备方法简单、科学、高效，不仅由于原料的恰当配比和微波的辐射作用而一步到位地制得了核与壳均复合有银的目的产物——二氧化钛-银复合核壳结构球；还使目的产物具备了对六价铬或亚甲基蓝进行紫外光催化降解的性能；更有着制备时反应时间短、不需高温焙烧，以及贵金属银复合率极高的优点，其中，复合于目的产物中的银的比例最高可达15wt%，其由银离子转化为银的效率接近100%。这种省时、节能，以及较高的银复合比例和极大地减少银源浪费的制备方法，极适于大规模的工业化生产。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是对制备方法制得的目的产物分别使用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）进行表征的结果之一。其中，图1a和图1b为目的产物的SEM图像，由其可看出，目的产物为核壳结构，且其表面由纳米颗粒构成；图1c和图1d为目的产物的TEM图像，由其可更加明显地看出目的产物为核壳结构，并且表面的纳米颗粒有两种不同的衬度，说明了TiO2和Ag纳米颗粒共同存在，尤为图1d中的高分辨晶格条纹进一步地确定了TiO2和Ag纳米颗粒的存在。
图2是对现有的具有壳核结构的二氧化钛纳米材料和目的产物分别使用X射线衍射（XRD）仪和X射线光电子能谱（XPS）仪进行表征的结果之一。其中，图2a为现有材料和目的产物的XRD谱图，其中的谱线Ag-TS0、Ag-TS1、Ag-TS2和Ag-TS3分别为Ag复合量为0%wt、3%wt、5%wt和15%wt时的现有材料和目的产物的XRD谱线，由其可看出，除了锐钛矿TiO2基体的衍射峰之外，随着Ag含量的增加，四方相金属Ag的XRD峰逐渐增强，表明目的产物中除了锐钛矿相TiO2之外，还有金属Ag的存在；图2b和图2c为图2a中谱线Ag-TS3所示的目的产物的XPS谱图，其进一步地确定了复合的Ag为四方相金属银。
图3是使用图1中所示的目的产物分别对重金属六价铬和有机染料亚甲基蓝进行光催化反应后，再使用紫外-可见光谱（UV-Vis）仪测得的在不同的光催化剂的作用下，不同时间污染物溶液浓度相对于初始浓度（10mg/L）的吸收谱图之一。其中，图3a为重金属六价铬的UV-Vis吸收谱图，图3b为有机染料亚甲基蓝的UV-Vis吸收谱图；图3a和图3b中的曲线分别为不加目的产物（催化剂）时的谱线、Ag复合量为0%wt时的现有材料的谱线Ag-TS0、Ag复合量为3%wt时的目的产物的谱线Ag-TS1、Ag复合量为5%wt时的目的产物的谱线Ag-TS2、Ag复合量为15%wt时的目的产物的谱线Ag-TS3，由图3a和图3b均可看出，所有目的产物对重金属六价铬和有机染料亚甲基蓝都表现出了很好的光催化降解能力，并且目的产物要普遍好于现有材料。
具体实施方式
首先从市场购得或用常规方法制得：
硫酸氧钛；尿素；硝酸银；去离子水；乙醇；聚四氟乙烯高压釜。
接着，
实施例1
制备的具体步骤为：
先按照摩尔比为1.5：4.5：0.044的比例，将硫酸氧钛、尿素和硝酸银加入浓度为55%的乙醇水溶液中，得到混合溶液；其中，混合溶液中的硫酸氧钛与乙醇水溶液中的乙醇的摩尔比为1：50。再将混合溶液置于微波加热密闭状态，于温度为160℃下反应30min；其中，微波加热时的频率为2450MHz、功率为1000W，形成密闭状态的载体为聚四氟乙烯高压釜，制得位于反应液中的目的产物。之后，对其进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，离心分离的转速为3000～8000r/min、时间为3～8min，洗涤处理为使用去离子水和乙醇对分离得到的目的产物洗涤至水溶液呈中性，干燥处理为将清洗后的目的产物置于60～80℃下干燥2～10h，得到近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的目的产物——二氧化钛-银复合核壳结构球。
实施例2
制备的具体步骤为：
先按照摩尔比为1.8：4.3：0.01的比例，将硫酸氧钛、尿素和硝酸银加入浓度为53%的乙醇水溶液中，得到混合溶液；其中，混合溶液中的硫酸氧钛与乙醇水溶液中的乙醇的摩尔比为1：100。再将混合溶液置于微波加热密闭状态，于温度为170℃下反应23min；其中，微波加热时的频率为2450MHz、功率为1050W，形成密闭状态的载体为聚四氟乙烯高压釜，制得位于反应液中的目的产物。之后，对其进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，离心分离的转速为3000～8000r/min、时间为3～8min，洗涤处理为使用去离子水和乙醇对分离得到的目的产物洗涤至水溶液呈中性，干燥处理为将清洗后的目的产物置于60～80℃下干燥2～10h，得到近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的目的产物。
实施例3
制备的具体步骤为：
先按照摩尔比为2：4：0.05的比例，将硫酸氧钛、尿素和硝酸银加入浓度为50%的乙醇水溶液中，得到混合溶液；其中，混合溶液中的硫酸氧钛与乙醇水溶液中的乙醇的摩尔比为1：150。再将混合溶液置于微波加热密闭状态，于温度为180℃下反应18min；其中，微波加热时的频率为2450MHz、功率为1100W，形成密闭状态的载体为聚四氟乙烯高压釜，制得位于反应液中的目的产物。之后，对其进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，离心分离的转速为3000～8000r/min、时间为3～8min，洗涤处理为使用去离子水和乙醇对分离得到的目的产物洗涤至水溶液呈中性，干燥处理为将清洗后的目的产物置于60～80℃下干燥2～10h，得到如图1所示，以及如图2中的曲线所示的目的产物。
实施例4
制备的具体步骤为：
先按照摩尔比为2.3：3.8：0.1的比例，将硫酸氧钛、尿素和硝酸银加入浓度为48%的乙醇水溶液中，得到混合溶液；其中，混合溶液中的硫酸氧钛与乙醇水溶液中的乙醇的摩尔比为1：200。再将混合溶液置于微波加热密闭状态，于温度为190℃下反应11min；其中，微波加热时的频率为2450MHz、功率为1150W，形成密闭状态的载体为聚四氟乙烯高压釜，制得位于反应液中的目的产物。之后，对其进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，离心分离的转速为3000～8000r/min、时间为3～8min，洗涤处理为使用去离子水和乙醇对分离得到的目的产物洗涤至水溶液呈中性，干燥处理为将清洗后的目的产物置于60～80℃下干燥2～10h，得到近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的目的产物。
实施例5
制备的具体步骤为：
先按照摩尔比为2.5：3.5：0.22的比例，将硫酸氧钛、尿素和硝酸银加入浓度为45%的乙醇水溶液中，得到混合溶液；其中，混合溶液中的硫酸氧钛与乙醇水溶液中的乙醇的摩尔比为1：250。再将混合溶液置于微波加热密闭状态，于温度为200℃下反应5min；其中，微波加热时的频率为2450MHz、功率为1200W，形成密闭状态的载体为聚四氟乙烯高压釜，制得位于反应液中的目的产物。之后，对其进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中，固液分离处理为离心分离，离心分离的转速为3000～8000r/min、时间为3～8min，洗涤处理为使用去离子水和乙醇对分离得到的目的产物洗涤至水溶液呈中性，干燥处理为将清洗后的目的产物置于60～80℃下干燥2～10h，得到近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的目的产物。
二氧化钛-银复合核壳结构球的用途为，
将二氧化钛-银复合核壳结构球置于受六价铬或亚甲基蓝污染的水中进行紫外光催化降解；得到如图3a或图3b所示的结果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的二氧化钛-银复合核壳结构球及其制备方法和用途进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法，采用溶剂热法，其特征在于主要步骤如下：
先按照摩尔比为1.5～2.5：3.5～4.5：0.044～0.22的比例，将硫酸氧钛、尿素和硝酸银加入浓度为45～55％的乙醇水溶液中，得到混合溶液，其中，混合溶液中的硫酸氧钛与乙醇水溶液中的乙醇的摩尔比为1：50～250，再将混合溶液置于微波加热密闭状态，于温度为160～200℃下反应5～30min，制得位于反应液中的二氧化钛-银复合核壳结构球；
所述二氧化钛-银复合核壳结构球的球壳直径为0.5～1μm、球核直径为0.4～0.8μm，其由重量百分比为85～95wt％的二氧化钛和5～15wt％的银组成，其中，球壳、球核为粒径为8～12nm的二氧化钛纳米颗粒与粒径为20～100nm的银纳米颗粒复合。
2.根据权利要求1所述的二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法，其特征是对位于反应液中的二氧化钛-银复合核壳结构球进行固液分离、洗涤和干燥的处理。
3.根据权利要求2所述的二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法，其特征是固液分离处理为离心分离，离心分离的转速为3000～8000r/min、时间为3～8min。
4.根据权利要求2所述的二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法，其特征是洗涤处理为使用去离子水和乙醇对分离得到的二氧化钛-银复合核壳结构球洗涤至水溶液呈中性。
5.根据权利要求2所述的二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法，其特征是干燥处理为将清洗后的二氧化钛-银复合核壳结构球置于60～80℃下干燥2～10h。
6.根据权利要求1所述的二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法，其特征是微波加热时的频率为2450MHz、功率≤1200W。
7.根据权利要求1所述的二氧化钛-银复合核壳结构球的制备方法，其特征是形成密闭状态的载体为聚四氟乙烯高压釜。
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