CN104386741A - 一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。其是将钛粉与碱金属氢氧化物的混合物研磨均匀，然后将所得产物晶化；再自然冷却至室温后稀释、抽滤、洗涤；然后向所得产物中加入浓硫酸和去离子水，静置后再次抽滤洗涤至中性；最后干燥、焙烧得到锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛。本发明可以使反应装置的体积大大减小，仅为采用水热法的反应装置体积的1/20～30，无需添加任何溶剂来传热传质从而节省了大量的能源资源，极大的减少了对环境的污染，大大减小了生产的劳动量和显著的降低了设备成本和生产成本。

Description

一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法。
背景技术
二氧化钛是一种光催化性能优良的材料，它不仅无毒而且价格相对低廉，原料来源又很丰富，在地球中丰度较高，其白度很高，广泛应用于涂料行业，是耐高温涂料的主要添加剂，它还是一种性能优异的半导体材料，是在光解水制氢和光降解有机污染物领域里应用最多的材料，是解决能源危机和环境污染的理想材料，另外其在太阳能电池中常用作吸光材料，应用于涂料中可以达到自清洁的效果，并且在紫外光照射下能产生很好的杀灭细菌的效果。
综合而言，二氧化钛是一种应用很广的材料，但是目前制备二氧化钛的工艺大多采用水热法、水解法、溶剂热法或溶胶凝胶法，这些工艺方法普遍存在的问题是产生环境污染和高能耗，制备工艺复杂，设备笨重庞大，制备成本高。
发明内容
为了解决现有技术中制备二氧化钛存在的诸多不足，本发明对无溶剂法合成二氧化钛前躯体进行了深入研究，在付出了大量的原创性劳动后，进而完成了本发明。
本发明所述的一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法，其步骤如下：
(1)将钛粉与碱金属氢氧化物的混合物研磨均匀；钛粉与碱金属氢氧化物混合物的质量比是1：8～15；
(2)将步骤(1)所得产物在180～230摄氏度条件下晶化18～36小时；
(3)将步骤(2)晶化产物自然冷却至室温，稀释后抽滤，并将抽滤产物洗涤至pH＝7～8；
(4)取步骤(3)所得的产物0.2～0.5克，向其中加入2～5毫升浓硫酸和10～20毫升去离子水，静置6～12小时，之后再次抽滤并将抽滤产物洗涤至中性；
(5)将步骤(4)产物干燥后在400～500摄氏度下焙烧2～5小时，得到锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛。
步骤(1)中所述的将钛粉与碱金属氢氧化物的混合物研磨均匀是将钛粉与碱金属氢氧化物的混合物放入研钵内，研磨20～30分钟；所述的碱金属氢氧化物的混合物为氢氧化钠和氢氧化钾的混合，其质量比为1～5：1。
步骤(2)中是将步骤(1)所得产物转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180～230摄氏度的烘箱中晶化18～36小时。
步骤(3)中是加去离子水稀释后抽滤，将抽滤产物用去离子水洗至pH＝7～8。
步骤(4)中浓硫酸的质量分数98～99％，所得产物是用去离子水洗涤至中性；
步骤(5)中是将步骤(4)产物干燥(在70～90摄氏度条件下干燥3～5小时)后放入400～500摄氏度的马弗炉中焙烧2～5小时，升温速度为2～5摄氏度/min，得到最终产物，经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪和JSM-6700F型扫描电镜表征得知得到的最终产物的结晶性和形貌均较好的锐钛矿二氧化钛。
本发明可以使反应装置的体积大大减小，仅为采用水热法的反应装置体积的1/20～30，无需添加任何溶剂来传热传质从而节省了大量的能源资源，极大的减少了对环境的污染，大大减小了生产的劳动量和显著的降低了设备成本和生产成本，本发明是一项十分有意义的发明创造。
附图说明
图1：实施例1～4产物XRD谱图；
图2：实施例4～8产物XRD谱图；
图3：实施例9产物XRD谱图；
图4：实施例2产物扫描电镜照片；
图5：实施例3产物扫描电镜照片；
图6：实施例4产物扫描电镜照片；
图7：实施例5产物扫描电镜照片；
图8：实施例6产物扫描电镜照片；
图9：实施例9产物扫描电镜照片。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明,并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定,更非将本发明的保护范围局限于此。
实施例1
(1)取1.5克钛粉放入研钵内，再取6.18克氢氧化钠和5.82克氢氧化钾也放入研钵内，研磨20分钟；
(2)当研钵内研磨混合均匀时立即转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180摄氏度的烘箱中晶化9小时，取出反应釜自然冷却至室温；
(3)把步骤(2)中反应釜内的产物加水稀释后取出，接着用抽滤机抽滤并用去离子水洗至中性得产物1；答:这还不没有干燥这时的质量有很大比例的水分所以没称量。
(4)把步骤(3)的产物1转移至烧杯中，然后向烧杯中加入2毫升质量分数为98.3％的浓硫酸，再加入10毫升去离子水(即形成稀硫酸水溶液浸泡产物1)，然后静置6小时；
(5)把步骤(4)的产物抽滤并用去离子水洗涤至中性得产物2，将产物2在80摄氏度条件下干燥3小时，然后放入目标温度为450摄氏度的马弗炉中，升温速率5摄氏度/分钟，焙烧2小时，得到最终产物3，质量为1.014克；
(6)经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪表征(附图XRD图1中所示)可以看到最终产物3是结晶性不好的产物。
实施例2
(1)取1.5克钛粉放入研钵内，再取6.18克氢氧化钠和5.82克氢氧化钾也放入研钵内，研磨20分钟；
(2)当研钵内研磨混合均匀时立即转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180摄氏度的烘箱中晶化18小时，取出反应釜自然冷却至室温；
(3)把步骤(2)中反应釜内的产物加水稀释后取出，接着用抽滤机抽滤并用去离子水洗至中性得产物1；
(4)把步骤(3)的产物1转移至烧杯中，然后向烧杯中加入2毫升质量分数98.3％的浓硫酸，再加入10毫升去离子水(即形成稀硫酸水溶液浸泡产物1)，然后静置6小时；
(5)把步骤(4)的产物抽滤洗涤至中性得产物2，将产物2放入80摄氏度干燥3小时，然后放入设定450摄氏度的马弗炉中升温速率5摄氏度/分，焙烧2小时，得到最终产物3，质量为1.124克；
(6)经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪表征(图1所示)和JSM-6700F型扫描电镜表征(图4所示)最终产物3的结晶性较好的和形貌非常规整的尺寸大小为200纳米～1微米的锐钛晶型条状矿二氧化钛。
实施例3
(1)取1.5克钛粉放入研钵内，再取6.18克氢氧化钠和5.82克氢氧化钾也放入研钵内，研磨20分钟；
(2)当研钵内研磨混合均匀时立即转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180摄氏度的烘箱中晶化36小时，取出反应釜自然冷却至室温；
(3)把步骤(2)中反应釜内的产物加水稀释后取出，接着用抽滤机抽滤并用去离子水洗至中性得产物1；
(4)把步骤(3)的产物1转移至烧杯中，然后向烧杯中加入2毫升质量分数98.3％的浓硫酸，再加入10毫升去离子水(即形成稀硫酸水溶液浸泡产物1)，然后静置6小时；
(5)把步骤(4)的抽滤洗涤至中性得产物2，将产物2放入80摄氏度干燥3小时，然后放入设定450摄氏度的马弗炉中升温速率5摄氏度/分，焙烧2小时，得到最终产物3，质量为1.300克；
(6)经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪表征(图1所示)和JSM-6700F型扫描电镜表征(图5所示)最终产物3的结晶性更好的和形貌规整的尺寸为500纳米～2微米的锐钛矿条状二氧化钛。
实施例4
(1)取1.5克钛粉放入研钵内，再取6.18克氢氧化钠和5.82克氢氧化钾也放入研钵内，研磨20分钟；
(2)当研钵内研磨混合均匀时立即转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180摄氏度的烘箱中晶化72小时，取出反应釜自然冷却至室温；
(3)把步骤(2)中反应釜内的产物加水稀释后取出，接着用抽滤机抽滤并用去离子水洗至中性得产物1；
(4)把步骤(3)的产物1转移至烧杯中，然后向烧杯中加入2毫升质量分数98.3％的浓硫酸，再加入10毫升去离子水(即形成稀硫酸水溶液浸泡产物1)，然后静置6小时；
(5)把步骤(4)的抽滤洗涤至中性得产物2，将产物2放入80摄氏度干燥3小时，然后放入设定450摄氏度的马弗炉中升温速率5摄氏度/分，焙烧2小时，得到最终产物3，质量为1.518克；
(6)经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪表征(图1所示)和JSM-6700F型扫描电镜表征(图6所示)最终产物3的结晶性非常好的和微观形貌尺寸很大的纳米管和纳米颗粒混合型的锐钛矿二氧化钛。
实施例5
(1)取1.5克钛粉放入研钵内，再取6.18克氢氧化钠和5.82克氢氧化钾也放入研钵内，研磨20分钟；
(2)当研钵内研磨混合均匀时立即转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180摄氏度的烘箱中晶化72小时，取出反应釜自然冷却至室温；
(3)把步骤(2)中反应釜内的产物加水稀释取出，接着用抽滤机抽滤并用去离子水洗至中性得产物1；
(4)把步骤(3)的产物1转移至烧杯中，向烧杯中加入2毫升质量分数65％的浓硝酸，再加入10毫升去离子水形成稀硝酸溶液(即形成稀硝酸水溶液浸泡产物1)，然后静置6小时；
(5)发现步骤(4)中的产物1被溶解了，将所得溶液放入80摄氏度的烘箱中干燥12小时，将干燥后得到的产物称为产物2，再将产物2放入设定450摄氏度的马弗炉中升温速率5摄氏度/分，焙烧2小时，得到最终产物3，质量为1.504克；
(6)经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪和JSM-6700F型扫描电镜表征(图2所示和图7所示)最终产物3是结晶性不好并且是形貌不规整的锐钛矿二氧化钛。
实施例6
(1)取1.5克钛粉放入研钵内，再取6.18克氢氧化钠和5.82克氢氧化钾也放入研钵内，研磨20分钟；
(2)当研钵内研磨混合均匀时立即转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180摄氏度的烘箱中晶化72小时，取出反应釜自然冷却至室温；
(3)把步骤(2)中反应釜内的产物加水稀释取出，接着用抽滤机抽滤并用去离子水洗至中性得产物1；
(4)把步骤(3)中的产物1转移至烧杯中，然后向烧杯中加入2毫升质量分数37％的浓盐酸，再加入10毫升去离子水(即形成稀盐酸水溶液浸泡产物1)，然后静置6小时；
(5)发现步骤(4)中的产物1被溶解了，将所得溶液放入80摄氏度的烘箱中干燥12小时，将干燥后得到的产物称为产物2，再将产物2放入设定450摄氏度的马弗炉中升温速率5摄氏度/分，焙烧2小时，得到最终产物3，质量为1.498克；
(6)经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪和JSM-6700F型扫描电镜表征(图2和图8所示)最终产物3是有一定结晶性和无规则形貌的锐钛矿二氧化钛。
实施例7
(1)取1.5克钛粉放入研钵内，再取6.18克氢氧化钠和5.82克氢氧化钾也放入研钵内，研磨20分钟；
(2)当研钵内研磨混合均匀时立即转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180摄氏度的烘箱中晶化72小时，取出反应釜自然冷却至室温；
(3)把步骤(2)中反应釜内的产物加水稀释取出，接着用抽滤机抽滤并用去离子水洗至中性得产物1；
(4)把步骤(3)中的产物1转移至烧杯中，然后向烧杯中加入12毫升去离子水，然后静置6小时；
(5)把步骤(4)中的抽滤洗涤得产物2，再将产物2放入80摄氏度干燥3小时，然后放入设定450摄氏度的马弗炉中升温速率5摄氏度/分，焙烧2小时，得到最终产物3，质量为1.612克；
(6)经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪表征(图2所示)最终产物3是非结晶性产物。
实施例8
(1)取1.5克钛粉放入研钵内，再取6.18克氢氧化钠和5.82克氢氧化钾也放入研钵内，研磨20分钟；
(2)当研钵内研磨混合均匀时立即转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180摄氏度的烘箱中晶化72小时，取出反应釜自然冷却至室温；
(3)把步骤(2)中反应釜内的产物加水稀释取出，接着用抽滤机抽滤并用去离子水洗至中性得产物1；
(4)把步骤(3)中的产物1转移至烧杯中，在80摄氏度的烘箱中干燥12小时，将干燥后的产物1放入设定450摄氏度的马弗炉中升温速率5摄氏度/分，焙烧2小时，得到最终产物3；
(5)经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪表征(图2所示)最终产物3是的非结晶性产物，质量为1.624克。
实施例9
(1)取1.5克钛粉放入烧杯中，然后向烧杯中加入2毫升质量分数98.3％的浓硫酸和10毫升去离子水(即形成稀硫酸溶液)，静置6小时得产物1；
(2)将步骤(1)中的产物1放入80摄氏度的烘箱中干燥12小时；
(3)将步骤(2)中的产物1放入设定450摄氏度的马弗炉中升温速率5摄氏度/分，焙烧2小时，得到最终产物2，质量为1.008克；
(4)经D/MAX2550型粉末X射线衍射仪和JSM-6700F型扫描电镜表征(图3和图9所示)中可以看出得到的最终产物2是非结晶性的并且无规整形貌和有一定孔道的产物。
综上制备实例，我们得出如下重要发现：
(1)随着反应时间从18～72小时的增加，由扫描电镜图看出最终产物的团聚越来越严重，但是，结晶性越来越好。
(2)从酸的对比由XRD和扫描电镜图可以得出稀硫酸是最好后处理试剂，既可以得到结晶性很好的产物又可以得到较好的产物的形貌。
(3)综合以上因素，可以得出180摄氏度反应18小时，稀硫酸浸泡产物6小时，450摄氏度焙烧，可以得到既保持最佳的形貌，结晶性又可以，能耗最低，可以作为较为优化的工艺参数。

Claims (6)

1.一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法，其步骤如下：
(1)将钛粉与碱金属氢氧化物的混合物研磨均匀；钛粉与碱金属氢氧化物混合物的质量比是1：8～15；
(2)将步骤(1)所得产物在180～230摄氏度条件下晶化18～36小时；
(3)将步骤(2)晶化产物自然冷却至室温，稀释后抽滤，并将抽滤产物洗涤至pH＝7～8；
(4)取步骤(3)所得的产物0.2～0.5克，向其中加入2～5毫升浓硫酸和10～20毫升去离子水，静置6～12小时，之后再次抽滤并将抽滤产物洗涤至中性；
(5)将步骤(4)产物干燥后在400～500摄氏度下焙烧2～5小时，得到锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛。
2.如权利要求1所述的一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的将钛粉与碱金属氢氧化物的混合物研磨均匀是将钛粉与碱金属氢氧化物的混合物放入研钵内，研磨20～30分钟；所述的碱金属氢氧化物的混合物为氢氧化钠和氢氧化钾的混合，其质量比为1～5：1。
3.如权利要求1所述的一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤(2)中是将步骤(1)所得产物转入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放入180～230摄氏度的烘箱中晶化18～36小时。
4.如权利要求1所述的一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤(3)中是加去离子水稀释后抽滤，将抽滤产物用去离子水洗至pH＝7～8。
5.如权利要求1所述的一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤(4)中浓硫酸的质量分数98～99％，所得产物是用去离子水洗涤至中性。
6.如权利要求1所述的一种锐钛矿晶型的纳米条状二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤(5)中是将步骤(4)产物在70～90摄氏度条件下干燥3～5小时后放入400～500摄氏度的马弗炉中焙烧2～5小时，升温速度为2～5摄氏度/min，得到最终产物。
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