CN105152208B - 多彩的TiO2微米球的合成方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多彩的TiO2微米球的合成方法及其应用，在乙二胺作用下制备多彩的TiO2微米球的方法及其在光催化等领域的应用。该实验是将异丙醇与乙酰丙酮混合形成混合溶剂，加入一定量的乙二胺，充分搅拌后，加入钛源，再次充分搅拌后，移入反应釜中160~230 ℃下反应6~24 h，自然冷却后，经分离、洗涤、干燥后得到多彩的TiO2微米球。本发明的合成方法具有工艺简单、产量高、反应条件温和等特点。

Description

多彩的TiO2微米球的合成方法及其应用
技术领域
本发明属于无机纳米材料的制备及应用。
背景技术
近年来，纳米材料发展快速，由于纳米粒子具有表面效应、量子效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等特性，从而在电学、光学、力学、磁学等方面表现出不同于一般宏观材料的显著特征。
二氧化钛由于其无毒、含量丰富、稳定及光活性等优点被广泛应用于光催化、太阳电池、光解制氢等领域。二氧化钛主要有四种晶型：锐钛矿、金红石、板钛矿以及介稳的TiO2(B)相。金红石型比锐钛矿型稳定而致密，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，其遮盖力和着色力也较高。而锐钛矿型在可见光短波部分的反射率比金红石型高，带蓝色色调，并且对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高。
二氧化钛大部分为单独的纳米颗粒、纳米片、一维纳米结构（纳米棒、纳米管、纳米带等）和由纳米材料组成的三维分级结构。一般，二氧化钛随着颗粒增大，颜色逐渐趋于白色。二氧化钛由于有特殊光电性能（较好的能带、化学稳定性等等），在光催化、光电领域有着广泛的应用。目前报道的不同颜色二氧化钛的制备方法主要是往TiO2里掺杂大量的非金属元素，增加TiO2体内及表面的Ti3+的含量。由于这些结构很难同时具有大比表面积、较宽的光吸收和较大的尺寸，因此限制了器件性能的提高。由纳米颗粒等构成的微米球就有可能同时具有大比表面积、较大的直接以及较窄的带隙，拓宽了对光的吸收，因此受到了研究学者的青睐，是目前材料及器具研究的一大热点。
水热、溶剂热技术用于微纳米材料的合成具有反应条件温和、操作简便、产品形貌多种多样等特点。醇类及乙酰丙酮都是常用试剂，具有无毒、无公害和对环境友好等特点。目前已有一些合成多彩的TiO2微米球的报道，但采用异丙醇及乙酰丙酮作为溶剂和乙二胺来合成多彩的TiO2微米球材料还未见报道。本发明采用简便的一步溶剂热法合成了多彩的TiO2微米球，在合成过程中无模板、无后处理、方便简便易行。
发明内容：
本发明的目的是提供一种制备多彩TiO2微米球的方法。本方发明的方法操作简单，无模板，无后处理，环境友好下，快速大量合成多彩的TiO2微米球。
一种多彩的TiO2微米球的合成方法，其特征在于包括以下步骤：
将乙酰丙酮与异丙醇按照一定体积比混合形成混合溶剂，加入一定量的乙二胺，充分搅拌后，加入一定比例的钛源，再次充分搅拌后，移入反应釜中160~230 ℃下反应6~24h，自然冷却后，经分离、洗涤、干燥后得到多彩的窄带隙的掺杂非金属元素的TiO2微米球。
所述的合成方法，其特征在于：所述的混合溶剂中乙酰丙酮与异丙醇体积比为1:1~1:20。
所述的合成方法，其特征在于：所述的乙二胺含量为0.01~20.0 ml、异丙醇为40ml和丙酮为10 ml。
所述的合成方法，其特征在于：所述的钛源是钛酸四正丁酯、钛酸四异丙酯、三氯化钛、四氯化钛、硫酸氧钛和四氯化钛中的一种或多种的混合。
所述的合成方法，其特征在于：所述的TiO2微米球是多彩的，从淡黄色到红色渐变，所述TiO2的带隙在1.0~3.5 eV之间可调，所述的TiO2微米球的尺寸是0.1~10 µm，所述的TiO2微米球是纳米片状或纳米颗粒状的。
所述的合成方法，其特征在于：所述的产物是掺有非金属元素的TiO2。
所述的合成方法，其特征在于：掺有的非金属元素是C、N、S和B中的一种或多种的组合。
多彩的TiO2微米球的应用，其特征在于：
其可以应用在光领域、或自清洁涂料或者染料，或锂离子电池，或吸附。
所述的一种多彩的TiO2微米球的应用，其特征在于：
其在光领域的应用包含光催化、光降解、光解制氢、太阳电池领域的应用。
具体合成方法：将乙酰丙酮和异丙醇按一定体积比混合形成混合溶剂，加入一定量的乙二胺，经搅拌均匀后加入钛酸四正丁酯或钛酸四异丙酯，然后充分搅拌将此混合溶液转移至反应釜中，160~230℃下反应6~24小时。自然冷却后，经离心、洗涤、干燥得多彩TiO2微米球。
本发明的有益效果为：
与现在合成技术相比，本发明首次采用乙酰丙酮与异丙醇这两种常规溶剂混合作为混合溶剂，及一定量的乙二胺，通过简便的溶剂热方法制备出了多彩TiO2微米球。在合成过程中，无模板、无后处理步骤，本发明合成方法具有反应条件温和、工艺简单，可控性强、产率高且重现性好的优点。本发明合成的多彩TiO2微米球在光催化、光降解、光解制氢、吸附、锂离子电池、太阳电池等领域具有广泛的应用。
本发明合成多彩的TiO2微米球具有较高的表面积，达到280 m2∙g-1，并比表面积可控在80~500 m2∙g-1之间。此外，多彩的TiO2微米球具有连续可调的带隙，拓宽了对光的吸收。因此，本发明合成多彩的TiO2微米球在太阳电池、光催化、光降解、光解制氢、锂离子电池及自清洁涂料和染料等领域具有广泛的应用。
附图说明：
图1为所得红色TiO2微米球的照片。
图2为所得红色TiO2微米球的SEM图片。
图3为所得多彩TiO2微米球不同颜色的照片。
图4为所得红色TiO2微米球应用在光催化领域上图片。
具体实施方式：
实施例1：
将乙酰丙酮和异丙醇按体积比1：4混合形成混合溶剂，加入1 ml的乙二胺，搅拌均匀后加入2 ml钛酸四正丁酯，然后充分搅拌将此混合溶液转移至反应釜中，200℃下反应16小时。自然冷却后，经离心、洗涤、干燥得红色TiO2微米球（图1），由纳米片构成的微米球，其微球直径~1250 nm（图2）。
实施例2：
将乙酰丙酮和异丙醇按体积比1：1混合形成混合溶剂，加入0.05、0.10、0.25、0.50、1.0和2.0 ml的乙二胺，搅拌均匀后加入4 ml钛酸四正丁酯，然后充分搅拌将此混合溶液转移至反应釜中，200 ℃下反应16小时。自然冷却后，经离心、洗涤、干燥得多彩的TiO2微米球（图3）。
实施例3：
由于二甲基蓝在染料废水中的含量较高，易引起环境污染，因此，将选其作为模拟污染物在紫外灯光照射下的光催化活性。将所得的红色TiO2微米球用来应用在光降解实验上，得到不同时间及不同波长下的吸收（图4）。

Claims (8)

1.一种多彩的TiO2微米球的合成方法，其特征在于包括以下步骤：将乙酰丙酮与异丙醇按照一定体积比混合形成混合溶剂，加入一系列不同量的乙二胺，充分搅拌后，加入一定比例的钛源，再次充分搅拌后，移入反应釜中160~230℃下反应6~24h，自然冷却后，经分离、洗涤、干燥后得到颜色渐变的窄带隙的掺杂非金属元素的TiO2微米球。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述的混合溶剂中乙酰丙酮与异丙醇体积比为1:1~1:20。
3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述的乙二胺含量为0.01~20.0ml、异丙醇为40ml和乙酰丙酮为10ml。
4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述的钛源是钛酸四正丁酯、钛酸四异丙酯、三氯化钛、四氯化钛、硫酸氧钛和四氯化钛中的一种或多种的混合。
5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述的TiO2微米球是多彩的，从淡黄色到红色渐变，所述TiO2的带隙在1.0~3.5eV之间可调，所述的TiO2微米球的尺寸是0.1~10μm，所述的TiO2微米球是纳米片状或纳米颗粒状的。
6.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：掺有的非金属元素是C、N、S和B中的一种或多种的组合。
7.权利要求1所述的合成方法合成的多彩的TiO2微米球的应用，其特征在于：其应用在光领域、或自清洁涂料或者染料，或锂离子电池，或吸附。
8.根据权利要求7所述的多彩的TiO2微米球的应用，其特征在于：其在光领域的应用包含光催化、光降解、光解制氢、太阳电池领域的应用。
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