CN106745222A - 一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种经济、快速、均匀、宏量的黑色二氧化钛纳米材料的制备方法，利用碳材料的高温还原特性，将碳材料与二氧化钛混合后在气氛炉中加热处理，使得二氧化钛被部分还原，最终获得大量均匀制备的黑色TiO2。本发明能够实现黑色二氧化钛宏量均匀的制备，过程中不使用危险气体(如氢气)、危险反应物(如金属氢化物)，制备安全。所用原料可为价格低廉的碳材料，降低生产成本。

Description

一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法
技术领域
本发明涉及一种制备黑色二氧化钛的方法，具体涉及一种采用碳材料还原法制备大量均匀黑色二氧化钛粉体的方法
背景技术
二氧化钛二氧化钛(TiO2)作为新能源和环境保护材料，在光催化和光电转换等方面有广泛的应用前景。二氧化钛在太阳能利用方面的突出表现，长期以来一直吸引科学家和工业界的巨大兴趣，成为新材料研究的热点，并被认为解决能源短缺和环境污染等问题的最重要的理想材料之一。
制约太阳光充分利用的主要问题仍在于，二氧化钛的光吸收(光响应范围窄)和电子空穴对的分离和输运能力(导电率偏低)。由于禁带宽度过宽(锐钛矿：3.2eV；金红石相：3.0eV)，二氧化钛只能吸收太阳光谱中4％的紫外光，而无法利用可见光和近红外光的能量；二氧化钛的本征导电性不高，不利于光生电子-空穴对的分离和传输。从本质上而言，二氧化钛的太阳能高效利用，必须拓展其可见光-近红外光的响应能力，同时提高它的光生电子-空穴对分离传输效率。
2011年美国劳伦斯国家实验室和加州大学伯克利分校的科学Samuel Mao等在《Science》上报道了一种低温制备黑色纳米二氧化钛(黑钛)的方法，引起同行的极大关注。他们将纳米二氧化钛粉体置于20bar氢气腔内200℃处理5天，所制的黑色二氧化钛光催化结果优异，在模拟太阳光下的光解水效率大幅提高。该黑色二氧化钛能够吸收部分可见光和红外光，显著提升了太阳能的利用。基于该材料的重要性，近期有关黑色氧化钛制备的报道渐增，主要包括氢气还原、采用TiH2、CaH2、NaBH4还原制备黑色氧化钛。但显然这些方法在原料的成本、安全性以及大量均匀制备等方面不能满足工业生产的需要。
发明内容
面对现有技术存在的问题，为了满足黑色二氧化钛大批量工业生产的需求，本发明提出一种原料简单、可大量均匀制备的方法，可满足工业生产的需求。本发明制备过程中不使用危险气体(如氢气)、危险反应物(如金属氢化物)，制备安全，所用原料可为价格低廉的碳材料，降低生产成本，能够实现黑色二氧化钛大量均匀的制备。
本发明提供一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法。
本发明的主要过程为，将二氧化钛粉体与碳材料混合均匀后，把混合粉体置于高温炉中进行热处理，最后采用分离技术将混合粉体中的碳材料分离，得到的黑色二氧化钛。
所述碳材料为活性炭、乙炔黑、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、富勒烯中的一种或一种以上。
所述二氧化钛粉体的形貌为纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米花、纳米片、纳米带的一种或任意两种或任意两种以上的组合。
所述二氧化钛粉体的尺寸为1-1000纳米。
所述二氧化钛粉体与碳材料的质量比为200:1-1:20，优选为100:1-1:10。
所述高温炉的气氛环境为惰性气体、还原性气体、含有少量水蒸气的混合气体，或者为真空环境。
如上所述的惰性气体为氩气、氮气中的一种或多种的组合，所述还原性气体为氢气、一氧化碳中的一种或多种的组合，所述含有少量水蒸气的混合气体为含有少量水蒸气的氩气或氮气的一种或两种以上的组合，所述真空环境的气压小于100Pa，优选为小于10Pa。
所述热处理过程的热处理温度为300℃-800℃，优选为500℃-800℃。
所述热处理过程的热处理时间为2-10小时，优选为2-6小时。
所述分离技术为筛分离、分级离心、密度法分离中的一种或任意两种或任意两种以上的组合。
本发明具有以下优点：
1，操作安全：采用碳材料作为还原剂，避免常规使用的危险气体(如氢气)、危险反应物(如金属氢化物、碱金属等)；
2，成本低：作为还原剂的碳材料原理易得，成本低廉，且分离处理容易，无后续污染，亦可降低成本；
3，易于大批量制备：本发明可以大批量制备均匀的黑色二氧化钛，单次制备的产量可达5kg，且制备均匀性良好，避免了气体还原方法中只有表层二氧化钛还原程度高而底部二氧化钛难以充分还原的缺点，同时避免了金属氢化物(或碱金属)还原方法中氢化物化学活性过于活波，后续不易分离，难以大批量操作等缺点，这得益于碳材料作为还原剂时具有化学稳定性好可与二氧化钛充分均匀混合反应，后续易于分离等
优点。
由上可知，本发明可以低成本的大批量制备均匀的黑色二氧化钛，适合于工业放大生产，具有良好的应用前景和广阔的市场。
附图说明
图1实施例1中采用乙炔黑作为还原剂时制备得到的黑色二氧化钛纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。
实施例1
1份质量的二氧化钛纳米颗粒与0.1份质量的乙炔黑充分混合，后在氮气气氛炉中800℃处理10小时；冷却后将混合粉体在去离子水中超声分散，后用离心机对乙炔黑进行离心分散，离心转速为1000r/min，最终得到黑色二氧化钛纳米颗粒。图1为获得的黑色二氧化钛纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱，从图中可以看出所得黑色二氧化钛纳米颗粒在可见光谱范围内均有明显的吸光度。
本实施例中，1份质量为5kg，最终产品为均匀的黑色二氧化钛纳米颗粒，由此看出本发明利于黑色二氧化钛的大批量制备。
实施例2
1份质量的二氧化钛纳米颗粒与1份质量的活性炭充分混合，后在氩气气氛炉中300℃处理2小时；冷却后通过过筛方法将活性炭分离，得到黑色二氧化钛纳米颗粒。
本实施例中，1份质量为5kg。
实施例3
1份质量的二氧化钛纳米片与0.01份质量的石墨烯充分混合，后在真空炉中500℃处理6小时；冷却后超声分散在溶液中，利用分级离心技术将石墨烯分离出去，得到黑色氧化钛纳米片。
本实施例中，1份质量为1kg。
实施例4
1份质量的二氧化钛纳米颗粒与0.01份质量的碳纳米管充分混合，将惰性气体(氩气)通过水洗后通入气氛炉，600℃处理2小时；冷却后超声分散在溶液中，利用分级离心技术将碳纳米管分离出去，得到黑色二氧化钛纳米颗粒。
本实施例中，1份质量为2kg。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而并非对本发明任何形式上和实质上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明得到实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法，其特征在于，将二氧化钛粉体与碳材料混合均匀后，把混合粉体置于高温炉中进行热处理，最后采用分离技术将混合粉体中的碳材料分离，得到的黑色二氧化钛。
2.如权利要求1所述的一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法，其特征在于，所述碳材料为活性炭、乙炔黑、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、富勒烯中的一种或一种以上。
3.如权利要求1所述的一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法，其特征在于，所述二氧化钛粉体的形貌为纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米花、纳米片、纳米带的一种或任意两种或任意两种以上的组合。
4.如权利要求1所述的一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法，其特征在于，所述二氧化钛粉体的尺寸为1-1000纳米。
5.如权利要求1所述的一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法，其特征在于，所述二氧化钛粉体与碳材料的质量比为200:1-1:20。
6.如权利要求1所述的一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法，其特征在于，所述高温炉的气氛环境为惰性气体、还原性气体、含有少量水蒸气的混合气体，或者为真空环境。
7.如权利要求1所述的一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法，其特征在于，所述热处理过程的热处理温度为300℃-800℃，热处理时间为2-10小时。
8.如权利要求1所述的一种黑色二氧化钛大量均匀制备的方法，其特征在于，所述分离技术为筛分离、分级离心、密度法分离中的一种或任意两种或任意两种以上的组合。
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