CN106268967B - 一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：S1、取纳米二氧化钛置于管中，加入水溶性单体和溶剂，混合后通入氮气，随后密封管口；S2、将密封管置于紫外光下，光照；S3、光照后取出管中混合物离心，离心后沉淀物用无水乙醇洗涤，烘干后即得水溶性纳米二氧化钛。本发明提供的一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，能够有效提升纳米二氧化钛在水中的分散性和溶解性；同时均匀分布的二氧化钛，能够有效提高光催化效率。可用于光催化领域，解决了由于在水相中分布不均而影响光催化性能的问题。在不影响催化效果的同时具有环保，降低成本的特点。本发明的制备方法，步骤简单，易操作，制备条件温和易控制，得率高。

Description

一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法
技术领域
本发明涉及一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，具体属于纳米二氧化钛技术领域。
背景技术
环境污染和能源危机是当今时代人类面临的两大挑战，研究如何解决这两大难题也是现在世界范围内的科研工作者们所担负的重要历史使命。纳米材料以其特有的光、电化学性质等方面的特性，已成为环境、化学、材料等科学领域研究热点。纳米TiO2因其存在着表面效应、体积效应和久保效应，使得纳米TiO2在保持原物质的物理、化学性质的同时，还具有特异的力学、电、磁等奇异性能，广泛应用于电子信息、化妆品生产、屏蔽紫外线、半导体材料、环境工程等领域，特别是作为光催化剂显示出巨大的潜在优势，被誉为“环境催化剂”，可改善我们的生存环境，给我们生活带来更多的便利。但是由于纳米TiO2也存在本身特性的局限性——纳米TiO2很难在水中均匀混合，反而限制了其在很多水性体系中的光催化应用，从而极大地限制了光催化的效果。
随着对TiO2纳米材料的可控制备和光催化性能研究的不断深入，越来越多的报道表明，纳米TiO2的光催化性能的好坏受到多种因素的综合影响，如纳米颗粒尺寸大小、形貌、晶相、结晶度、相纯度以及分散性(溶解性)等都会导致光催化材料在性能上的显著差别。溶液中稳定分散的纳米二氧化钛不仅可以提高光催化效率，还可以作为薄膜、涂膜，有利于纳米二氧化钛在各种液态环境的应用，例如光学基础分析研究、污水处理过程和生物医学研究等。
然而大多数传统的制备方法，例如溶胶-凝胶法、水热法、氧化还原法、物理/化学气相沉积法等，虽然可以制备出较高纯度和结晶度的纳米二氧化钛，但往往需要经过高温煅烧或者其他复杂的化学反应过程，于是不可避免的造成TiO2纳米颗粒晶粒长大、团聚，甚至晶型、物理结构的变化，尤其是得到的产物往往无法再分散(溶解)，极大地限制了光催化的效果。因此，寻找一种在温和、简单的工艺条件下，制备出在溶液中容易分散的纳米二氧化钛的方法显得尤为重要。
当前，纳米粒子分散的主要方法是加入大量表面活性剂，该方法的主要优点是操作简单，容易实现，缺点是分散效率低，很难将纳米粒子与表面活性剂均匀混合，同时，纳米粒子与表面活性剂之间通过氢键链接，键合力差，稳定性差。采用表面引发聚合技术(如ATRP工艺)能够有效的解决该问题，该技术的核心技术是将聚有机单体直接在无机粒子表面引发聚合，键合力强，分散效率高。该技术的主要问题是，过程复杂，不容易实现，生产成本高，所以其应用收到了较大的限制。因此，开发工艺简单，成本低廉的表面引发聚合技术引起了广泛的关注，然而表面引发聚合的聚合物分子量高，包覆程度高，易于造成纳米二氧化钛失去催化降解活性。此外，聚合物的高分子链间易偶合终止，形成交联聚合物，进而失去溶解性。因此，研究一种能够解决上述问题的水溶性纳米二氧化钛的制备方法，显得尤为必要。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，制备条件温和易于控制实现。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：
S1、取纳米二氧化钛置于管中，加入水溶性单体和溶剂，混合后通入氮气，随后密封管口；
S2、将密封管置于紫外光下，光照；
S3、光照后取出管中混合物离心，离心后沉淀物用无水乙醇洗涤，烘干后即得水溶性纳米二氧化钛。
前述水溶性纳米二氧化钛的制备方法中，水溶性单体为丙烯酰胺或丙烯酸。
前述水溶性纳米二氧化钛的制备方法，步骤S1中，按照料液比，纳米二氧化钛︰水溶性单体︰溶剂＝0.1～0.3g︰3～10g︰30～40mL。
前述水溶性纳米二氧化钛的制备方法，步骤S1中，溶剂为丙酮。
前述水溶性纳米二氧化钛的制备方法，步骤S1中，通入氮气时长为3～8min。
前述水溶性纳米二氧化钛的制备方法，步骤S2中，光照时长为1～3h。
前述水溶性纳米二氧化钛的制备方法，步骤S3中，混合物以8000～10000r/min速度进行离心。
前述水溶性纳米二氧化钛的制备方法，步骤S3中，用无水乙醇洗涤2～4次。
前述水溶性纳米二氧化钛的制备方法，步骤S3中，在40℃～80℃下烘干。
本发明的水溶性纳米二氧化钛，采用沉淀聚合技术与TiO2纳米粒子光引发聚合特性有机结合，将聚丙烯酰胺低聚物在单个纳米TiO2粒子表面均匀键合。有效的提高了水溶性高分子悬浮纳米TiO2粒子的效率，解决了纳米TiO2粒子在水溶液中的团聚和沉淀问题。水溶性高分子键合在纳米二氧化钛表面，与当前技术相比，不仅能够克服纳米二氧化钛分散不均的问题，还有效的增加了光催化剂的效率。将光引发聚合技术与沉淀聚合工艺有机结合，实现了水溶性高分子的可控、有效包覆纳米二氧化钛，达到了分散纳米二氧化钛粒子的目的。包覆好的复合粒子能够在1分钟内完成在水中的均匀分散，同时保留了其高的催化降解特性。
以水溶性单体采用丙烯酰胺为例，图1是本发明的水溶性纳米二氧化钛的红外图谱，其中图中箭头所示之处为水溶性纳米二氧化钛的特征峰。从图中其他样品的对比可以看出，水溶性纳米二氧化钛样品在3022cm-1以及1923cm-1这两个位置处均出现了一个新峰，表明聚丙烯酰胺与纳米二氧化钛表面产生了键合作用。该作用可使聚丙烯酰胺均匀牢固地包覆在纳米TiO2粒子表面。
图2是本发明的可在水中快速分散的水溶性纳米TiO2的透射电镜图。从图中可以看出，聚丙烯酰胺均匀地包覆在纳米二氧化钛表面。
本发明的有益之处在于：本发明提供的一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，能够有效提升纳米二氧化钛在水中的分散性和溶解性；同时含有均匀分布的二氧化钛，能够有效提高光催化效率。本发明的水溶性纳米二氧化钛可代替传统的纳米TiO2用于光催化领域，解决了因为二氧化钛在水相中分布不均而影响光催化性能的问题。在不影响催化效果的同时具有环保，降低成本的特点。将光引发与沉淀聚合工艺有机结合，在实现简单聚合包覆的同时，能够有效的控制聚合物分子量，保护纳米二氧化钛的光催化活性。此外，采用本发明方法制备的产物容易与单体分离，后处理简单，从而实现绿色生产。本发明的制备方法，步骤简单，易操作，制备条件温和易控制，得率高。
附图说明
图1是本发明的水溶性纳米二氧化钛的红外光谱图；
图2是水溶性纳米二氧化钛的TEM图；
图中附图标记的含义：图1：a-聚丙烯酰胺，b-二氧化钛，c-水溶性纳米二氧化钛。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的介绍。
本发明所用试剂为市售产品，分析纯。
实施例1
一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照料液比，纳米二氧化钛︰丙烯酰胺︰丙酮＝0.1g︰3g︰30mL，取纳米二氧化钛置于管中，加入丙烯酰胺和丙酮，混合后通入氮气3min，随后密封管口；
S2、将密封管置于紫外光下，光照1h；
S3、光照后取出管中混合物以8000r/min速度离心，离心后沉淀物用无水乙醇洗涤4次，在40℃下烘干后即得水溶性纳米二氧化钛。
实施例2
一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照料液比，纳米二氧化钛︰丙烯酰胺︰丙酮＝0.3g︰10g︰40mL，取纳米二氧化钛置于管中，加入丙烯酰胺和丙酮，混合后通入氮气8min，随后密封管口；
S2、将密封管置于紫外光下，光照3h；
S3、光照后取出管中混合物以10000r/min速度离心，离心后沉淀物用无水乙醇洗涤4次，在80℃下烘干后即得水溶性纳米二氧化钛。
实施例3
一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照料液比，纳米二氧化钛︰丙烯酰胺︰丙酮＝0.2g︰5g︰35mL，取纳米二氧化钛置于管中，加入丙烯酰胺和丙酮，混合后通入氮气5min，随后密封管口；
S2、将密封管置于紫外光下，光照2h；
S3、光照后取出管中混合物以9000r/min速度离心，离心后沉淀物用无水乙醇洗涤4次，在60℃下烘干后即得水溶性纳米二氧化钛。
实施例4
一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照料液比，纳米二氧化钛︰丙烯酸︰丙酮＝0.25g︰6g︰32mL，取纳米二氧化钛置于管中，加入丙烯酸和丙酮，混合后通入氮气7min，随后密封管口；
S2、将密封管置于紫外光下，光照1.5h；
S3、光照后取出管中混合物以8500r/min速度离心，离心后沉淀物用无水乙醇洗涤3次，在50℃下烘干后即得水溶性纳米二氧化钛。
实施例5
一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照料液比，纳米二氧化钛︰丙烯酸︰丙酮＝0.15g︰8g︰33mL，取纳米二氧化钛置于管中，加入丙烯酸和丙酮，混合后通入氮气4min，随后密封管口；
S2、将密封管置于紫外光下，光照2.5h；
S3、光照后取出管中混合物以9500r/min速度离心，离心后沉淀物用无水乙醇洗涤4次，在70℃下烘干后即得水溶性纳米二氧化钛。

Claims (6)

1.一种水溶性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、取纳米二氧化钛置于管中，加入水溶性单体和溶剂，混合后通入氮气，随后密封管口；
S2、将密封管置于紫外光下，光照；
S3、光照后取出管中混合物离心，离心后沉淀物用无水乙醇洗涤，烘干后即得水溶性纳米二氧化钛；
所述水溶性单体为丙烯酰胺或丙烯酸；
所述步骤S1中，溶剂为丙酮；
所述步骤S2中，光照时长为1～3h。
2.根据权利要求1所述的水溶性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，按照料液比，纳米二氧化钛︰水溶性单体︰溶剂＝0.1～0.3g︰3～10g︰30～40mL。
3.根据权利要求1所述的水溶性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，通入氮气时长为3～8min。
4.根据权利要求1所述的水溶性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，混合物以8000～10000r/min速度进行离心。
5.根据权利要求1所述的水溶性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，用无水乙醇洗涤2～4次。
6.根据权利要求1所述的水溶性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，在40℃～80℃下烘干。
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