CN105000595B - 一种将纳米二氧化钛均匀复合到碳材料粉体表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将纳米二氧化钛均匀复合到碳材料粉体表面的方法,该方法的主要过程为：先将聚乙二醇均匀溶于无水有机溶剂中，并将碳材料粉体均匀分散到溶有聚乙二醇的无水有机溶剂中得到碳材料粉体的分散液，再将前驱体钛酸丁酯均匀溶于无水有机溶剂中制成均匀的钛酸丁酯溶液，然后将碳材料粉体的分散液与钛酸丁酯溶液均匀混合，将该混合体系静置使大部分有机溶剂挥发，再将所得混合物完全干燥以得到钛酸四丁酯均匀包覆的碳材料粉体，最后将钛酸四丁酯均匀包覆的碳材料粉体加热，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与碳材料的复合粉体。本发明通过使用聚乙二醇有利于将纳米二氧化钛原位均匀负载到碳材料粉体表面。

Description

一种将纳米二氧化钛均匀复合到碳材料粉体表面的方法

技术领域

本发明涉及一种将纳米二氧化钛均匀复合到碳材料粉体表面的方法,属于材料制备领域。

背景技术

近年来，对纳米级尺寸的二氧化钛的研究日益增多，这主要是因为其具有很好的光电、光催化、储氢和电致变色等性能。二氧化钛主要用于可持续清洁能源和环境保护领域，例如利用二氧化钛的光电性能可制备太阳能电池等光伏器件，利用二氧化钛的光催化性可处理液体和大气环境中的有机和无机污染物等。制备纳米级二氧化钛有方法有很多，主要包括溶胶法、溶胶-凝胶法、直接氧化法、水热法、化学沉积法、物理沉积法、电沉积法、溶剂热法等，制备纳米级二氧化钛使用的原料有四氯化钛、硫酸钛、硫酸氧钛、钛酸异丙酯和钛酸四丁酯等。将纳米级二氧化钛复合到其他载体材料表面，一方面可避免二氧化钛纳米粒子的团聚，另一方面可充分利用纳米二氧化钛的高比表面积，增加二氧化钛与污染物等的接触面积，进而充分发挥纳米二氧化钛的优良性能。碳材料的化学稳定性较高，是纳米粒子负载常用的载体材料。常见的碳材料包括活性炭、碳纤维、炭黑、石墨、碳微球、石墨烯、碳纳米管和富勒烯纤维等，其中石墨烯、碳微球、碳纳米管和富勒烯纤维是近年来发现的纳米级碳材料，这些碳材料主要成分都是碳元素，然而有着不同的结构和特性，例如碳纳米管是中空的一维结构，有很高的强度和较好的导电性；石墨烯是二维平面结构，具有很好的导电、导热和强度等。将二氧化钛负载到碳材料表面一方面可以提高纳米二氧化钛在可见光激发条件下的光催化活性和使用效率，另一方面也可以将碳材料的优良性能赋予所得复合体系中，得到兼有二氧化钛和碳材料的性能的多功能复合材料。

聚乙二醇是经环氧乙烷聚合而成的高分子聚合物，能溶于水、丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、乙醇、丙醇、异丙醇和丁醇等多种溶剂，具有优良的分散性，可作为碳纳米管、石墨烯、炭黑等碳材料粉体在溶剂中的分散剂。聚乙二醇的端羟基有较高的化学反应活性，很容易与钛酸四丁酯通过氢键作用形成复合物，从而在以钛酸四丁酯为前驱体制备二氧化钛时聚乙二醇的烷基链可以隔离生成的二氧化钛粒子以避免其团聚，同时聚乙二醇的烷基链与碳材料间有较好的亲和作用，因而使用聚乙二醇有利于将由钛酸丁酯制得的二氧化钛复合到碳纳米管等碳材料粉体表面，而目前文献中尚未见到相同的做法。

发明内容

本发明的目的是提供一种将纳米二氧化钛均匀复合到碳材料粉体表面的方法。本发明的 目的是通过如下原理实现的：通过超声波或搅拌等分散作用先将聚乙二醇均匀溶于无水有机溶剂中，并通过超声波或搅拌等分散作用将碳材料粉体均匀分散到溶有聚乙二醇的无水有机溶剂中得到碳材料粉体的分散液，再通过超声波或搅拌等分散作用将前驱体钛酸丁酯均匀溶于无水有机溶剂中制成均匀的钛酸丁酯溶液，然后借助超声波或搅拌等分散作用将碳材料粉体的分散液与钛酸丁酯溶液均匀混合，将该混合体系在10-50℃下静置5-72小时使大部分有机溶剂挥发，再将所得混合物通过真空抽滤、鼓风干燥等干燥方法完全除去其中的水分和残留的有机溶剂以得到钛酸四丁酯均匀包覆的碳材料粉体，最后将干燥的钛酸四丁酯均匀包覆的碳材料粉体于400-450℃下加热0.5-4小时以使钛酸四丁酯和聚乙二醇分解，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与碳材料的复合粉体，从而实现了将纳米二氧化钛均匀复合到碳材料粉体表面的目的。

本发明所用方法的特征在于所用聚乙二醇的平均分子量为200－2000，聚乙二醇的用量是碳材料粉体质量的0.2％-15％。

本发明所用方法的特征在于聚乙二醇能促进碳材料粉体在有机溶剂中的均匀分散和前驱体钛酸四丁酯在碳材料粉体表面均匀复合的作用。

本发明所用方法的特征在于纳米级二氧化钛是由其前驱体钛酸四丁酯受热分解得到的。

本发明所用方法的特征在于所用的无水有机溶剂是丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、乙醇、丙醇、异丙醇和丁醇等有机溶剂。

本发明所用方法的特征在于所用的碳材料粉体包括活性炭、碳纤维、炭黑、石墨、碳微球、石墨烯、碳纳米管、富勒烯纤维、以及由前述的两种和两种以上碳材料粉体组成的复合粉体。

本发明的特点在于所用的聚乙二醇有利于分散碳材料粉体和将二氧化钛的前驱体钛酸四丁酯均匀包覆到碳材料粉体的表面，从而保证了后期使聚乙二醇和钛酸四丁酯受热分解时所生成的纳米二氧化钛原位均匀复合到碳材料粉体表面上，有利于提高纳米二氧化钛的使用效率。

具体实施方式

实例1

通过超声波分散作用先将平均分子量为400的聚乙二醇(用量是炭黑粉体质量的1％)均匀溶于无水乙醇中，并通过超声波分散作用将炭黑粉体均匀分散到溶有聚乙二醇的无水乙醇中得到炭黑粉体的分散液，再通过超声波分散作用将前驱体钛酸四丁酯均匀溶于无水乙醇中制成均匀的钛酸丁酯溶液，然后借助超声波分散作用将碳黑粉体的分散液与钛酸四丁酯溶液均匀混合，将该混合体系在23℃下静置6小时使大部分无水乙醇挥发，再将所得混合物通过 真空抽滤完全除去其中的水分和残留的乙醇以得到钛酸四丁酯均匀包覆的炭黑粉体，最后将干燥的钛酸四丁酯均匀包覆的炭黑粉体于430℃下加热2小时以使钛酸四丁酯和聚乙二醇完全分解，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与炭黑的复合粉体。

实例2

通过超声波分散作用先将平均分子量为600的聚乙二醇(用量是石墨烯粉体质量的0.2％)均匀溶于二氯甲烷中，并通过超声波分散作用将石墨烯粉体均匀分散到溶有聚乙二醇的二氯甲烷中得到石墨烯粉体的分散液，再通过超声波分散作用将前驱体钛酸丁酯均匀溶于二氯甲烷中制成均匀的钛酸丁酯溶液，然后借助超声波分散作用将石墨烯粉体的分散液与钛酸丁酯溶液均匀混合，将该混合体系在30℃水浴中静置4小时使大部分二氯甲烷挥发，再将所得混合物通过真空抽滤完全除去其中的水分和残留的二氯甲烷以得到钛酸四丁酯均匀包覆的石墨烯粉体，最后将干燥的钛酸四丁酯均匀包覆的石墨烯粉体于400℃下加热2小时以使钛酸四丁酯和聚乙二醇完全分解，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与石墨烯的复合粉体。

实例3

通过超声波分散作用先将平均分子量为800的聚乙二醇(用量是碳纳米管粉体质量的0.5％)均匀溶于无水异丙醇中，并通过超声波分散作用将碳纳米管粉体均匀分散到溶有聚乙二醇的异丙醇中得到碳纳米管粉体的分散液，再通过超声波分散作用将前驱体钛酸丁酯均匀溶于异丙醇中制成均匀的钛酸丁酯溶液，然后借助超声波分散作用将碳纳米管粉体的分散液与钛酸丁酯溶液均匀混合，将该混合体系在40℃水浴中静置4小时使大部分异丙醇挥发，再将所得混合物通过真空抽滤完全除去其中的水分和残留的异丙醇以得到钛酸四丁酯均匀包覆的碳纳米管粉体，最后将干燥的钛酸四丁酯均匀包覆的碳纳米管粉体于450℃下加热2小时以使钛酸四丁酯和聚乙二醇完全分解，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与碳纳米管的复合粉体。

实例4

通过强力搅拌先将平均分子量为300的聚乙二醇(用量是碳纤维粉体质量的0.4％)均匀溶于二氯甲烷中，并通过强力搅拌将碳纤维粉体均匀分散到溶有聚乙二醇的二氯甲烷中得到碳纤维粉体的分散液，再通过强力搅拌将前驱体钛酸丁酯均匀溶于二氯甲烷中制成均匀的钛酸丁酯溶液，然后借助强力搅拌将碳纤维粉体的分散液与钛酸丁酯溶液均匀混合，将该混合体系在30℃水浴中静置8小时使大部分二氯甲烷挥发，再将所得混合物通过真空抽滤完全除去其中的水分和残留的二氯甲烷以得到钛酸四丁酯均匀包覆的碳纤维粉体，最后将干燥的钛酸四丁酯均匀包覆的碳纤维粉体于420℃下加热2小时以使钛酸四丁酯和聚乙二醇完全分解，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与碳纤维的复合粉体。

实例5

通过磁力搅拌先将平均分子量为600的聚乙二醇(用量是碳纤维粉体质量的2％)均匀溶于二氯甲烷中，并通过超声波分散仪将碳纤维粉体均匀分散到溶有聚乙二醇的二氯甲烷中得到碳纤维粉体的分散液，再通过强力搅拌将前驱体钛酸丁酯均匀溶于二氯甲烷中制成均匀的钛酸丁酯溶液，然后借助超声波分散作用将碳纤维粉体的分散液与钛酸丁酯溶液均匀混合，将该混合体系在30℃水浴中静置8小时使大部分二氯甲烷挥发，再将所得混合物通过真空抽滤完全除去其中的水分和残留的二氯甲烷以得到钛酸四丁酯均匀包覆的碳纤维粉体，最后将干燥的钛酸四丁酯均匀包覆的碳纤维粉体于420℃下加热2小时以使钛酸四丁酯和聚乙二醇完全分解，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与碳纤维的复合粉体。

实例6

通过超声波分散作用先将平均分子量为2000的聚乙二醇(用量是碳纳米管粉体质量的4％)均匀溶于无水异丙醇中，并通过超声波分散作用将碳纳米管粉体均匀分散到溶有聚乙二醇的异丙醇中得到碳纳米管粉体的分散液，再通过超声波分散作用将前驱体钛酸丁酯均匀溶于异丙醇中制成均匀的钛酸丁酯溶液，然后借助超声波分散作用将碳纳米管粉体的分散液与钛酸丁酯溶液均匀混合，将该混合体系在40℃水浴中静置4小时使大部分异丙醇挥发，再将所得混合物通过真空抽滤完全除去其中的水分和残留的异丙醇以得到钛酸四丁酯均匀包覆的碳纳米管粉体，最后将干燥的钛酸四丁酯均匀包覆的碳纳米管粉体于450℃下加热2小时以使钛酸四丁酯和聚乙二醇完全分解，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与碳纳米管的复合粉体。

实例7

通过超声波分散作用先将平均分子量为1000的聚乙二醇(用量是石墨烯粉体质量的2％)均匀溶于二氯甲烷中，并通过超声波分散作用将石墨烯粉体均匀分散到溶有聚乙二醇的二氯甲烷中得到石墨烯粉体的分散液，再通过超声波分散作用将前驱体钛酸丁酯均匀溶于二氯甲烷中制成均匀的钛酸丁酯溶液，然后借助超声波分散作用将石墨烯粉体的分散液与钛酸丁酯溶液均匀混合，将该混合体系在30℃水浴中静置4小时使大部分二氯甲烷挥发，再将所得混合物通过真空抽滤完全除去其中的水分和残留的二氯甲烷以得到钛酸四丁酯均匀包覆的石墨烯粉体，最后将干燥的钛酸四丁酯均匀包覆的石墨烯粉体于450℃下加热4小时以使钛酸四丁酯和聚乙二醇完全分解，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与石墨烯的复合粉体。

Claims (3)

1.一种将纳米二氧化钛均匀复合到碳材料粉体表面的方法,该方法的主要过程为：先通过搅拌作用将聚乙二醇均匀溶于无水有机溶剂中，并将碳材料粉体通过超声波均匀分散到溶有聚乙二醇的无水有机溶剂中得到碳材料粉体的分散液，再通过超声波或搅拌将前驱体钛酸四丁酯溶于无水有机溶剂中制成均匀的钛酸四丁酯溶液，然后通过超声波将碳材料粉体的分散液与钛酸四丁酯溶液均匀混合，将该混合体系在10-50℃下静置5-72小时使大部分有机溶剂挥发，再将所得混合物经过真空抽滤、鼓风干燥完全除去其中的水分和残留的有机溶剂以得到钛酸四丁酯均匀包覆的碳材料粉体，最后将干燥的钛酸四丁酯均匀包覆的碳材料粉体于400-450℃下加热0.5-4小时以使钛酸四丁酯和聚乙二醇分解，将剩余物冷却至室温即可得到纳米二氧化钛与碳材料的复合粉体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于纳米级二氧化钛是由其前驱体钛酸四丁酯受热分解得到的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所用的碳材料粉体包括活性炭、碳纤维、炭黑、石墨、碳微球、石墨烯、碳纳米管、富勒烯纤维、以及由前述的两种和两种以上碳材料粉体组成的复合粉体。