CN107324384A - 一种利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，它是将异丙醇作为溶剂，加入钛源 ，充分搅拌后于反应釜中160~240℃反应6~24小时，自然冷却后，经分离、洗涤、干燥后得到TiO2微米球。本发明的合成方法具有环境友好，反应条件温和，工艺简单，粒径均匀等优点。本发明方法合成的TiO2微米球在太阳电池、光催化、锂离子电池、污水处理等领域具有广泛的应用。

Description

一种利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法
技术领域
本发明属于无机纳米材料的制备，具体涉及一种利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法。
背景技术
TiO2由于其具有良好的化学稳定性、光稳定性、高活性、耐腐蚀、无刺激、价廉、易获取、对人体无毒等优点，被应用于涂料、光电池、催化及光催化领域中，尤其是作为光催化材料，在水处理、气体净化、自清洁及光解制氢材料制备等领域都有着广阔的应用前景。
随着纳米材料科学的快速发展，已经可以在微纳米尺度范围内控制TiO2材料的尺寸和形态。目前，已合成的TiO2纳米材料的形貌多种多样，从零维的纳米颗粒，到一维的纳米管、纳米线、纳米棒、纳米带等，到二维的纳米片，再到三维的TiO2分级结构。分级结构是指有零维或一维或二维的纳米结构组装成的三维空间结构，这种结构综合了纳米级和微米级的结构特点。2010年，程一冰院士采用溶胶凝胶和溶剂热两步法制备了锐钛矿相的TiO2微米球，由于其显著的高表面积、有效的光散射性和快速的电子传输作用等优点，在染料敏化太阳电池、光催化、光解制氢、锂离子电池等具有广泛的应用，之后掀起了研究TiO2微米球的高潮。为了满足不同性能要求的TiO2微米球，研究者通常采用不同的合成方法来改善其性能。其合成方法可归纳为模板法和非模板法，非模板法又可细分为溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法、静电纺丝法等。但是目前还是存在很多问题，如技术复杂、效率不高、重复性差和制备工艺难等，因此，发展简便有效的合成方法合成结构复杂、稳定和性能更优异的微米球材料是该领域的研究重点。
水热/溶剂热技术具有反应条件温和、操作简便、产品结晶性好的优点，因此可以有效利用软化学方法来合成TiO2微米球材料。目前已有一些合成TiO2微米球的报道，但是仅采用异丙醇这种常规试剂作为溶剂，利用溶剂热使其发生醚化反应来合成TiO2微米球的方法还未见报道。在本发明中，我们采用简便的一步溶剂热方法在较低温度下合成了单分散、形貌均匀的TiO2微米球，在合成过程中环境友好，无模板，无后处理，方法简便易行，能耗低。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种绿色环保且高效便捷获得三维多孔TiO2微米球的制备方法，使得这种结构的纳米材料具有大的比表面积、对可见光具有较高散射和在球内部较快的电子传输路径。本发明的合成方法操作简单：一步醇热法合成，无模板，无后处理；而且引入的反应物简单：仅为异丙醇和钛源，利用醇的醚化反应，可以在较低的温度条件下，快速大量合成TiO2微米球。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将钛源加入异丙醇中并充分搅拌，将此混合反应溶液转移至反应釜中，在160~240℃温度下溶剂热反应6~24小时，自然冷却至室温，生成三维多孔结构TiO2微米球；
（2）反应产物通过离心、以去离子水和无水乙醇反复洗涤多次，在60℃左右的温度下干燥后通过研磨得到白色粉体产品，或者直接分散在无水乙醇溶剂中。
所述的钛源选自钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯和硫酸氧钛中的一种。
所述的利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，其特征在于：步骤（1）中异丙醇和钛源的质量比为（20~160）：1。
所述的利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，其特征在于：步骤（1）所述的溶剂热反应的温度为200℃。
所述的利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，其特征在于： 步骤（1）所述的溶剂热反应的时间为16小时。
所述的产物是二氧化钛微米球，微米球的直径是600~1500 nm，BET比表面积在80~200 m2/g之间，呈单分散、宽直径分布。
所述的产物二氧化钛微米球是由纳米TiO2颗粒构成的，具有多孔结构，孔径在4~30nm，纳米TiO2颗粒的粒径在10~50 nm。
所述的产物二氧化钛微米球具有大的比表面积、对可见光具有较高散射和在球内部较快的电子传输路径。
本发明的有益效果为：
与现在合成技术相比，本发明首次采用异丙醇这种无毒害常规溶剂，而且仅仅只用异丙醇作为溶剂，通过简便的一步醇热法制备出了单分散、形貌均匀的TiO2微米球。无论是引入的反应物、合成条件以及反应副产物都绿色环保。在合成过程中，无模板、无后处理步骤，本发明合成方法具有环境友好，反应条件温和，工艺非常简单，能耗低，可控性强且重现性好的优点。本发明合成的TiO2微米球在太阳电池、锂离子电池、污水处理以及光催化等领域具有广泛的应用前景。
附图说明：
图1 为异丙醇与钛酸四丁酯在200℃反应16小时所得TiO2微米球的SEM照片。
图2为异丙醇与钛酸四丁酯在200℃反应16小时所得TiO2微米球的TEM照片。
图3为异丙醇与钛酸四丁酯在200℃反应16小时所得TiO2微米球的XRD图谱。
图4 为异丙醇与钛酸四丁酯在200℃反应16小时所得TiO2微米球的N2等温吸附-脱附曲线和孔径分布图。
具体实施方式：
实施例1：
将50 mL异丙醇和0.3 mL钛酸四丁酯混合，搅拌均匀，然后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TiO2微米球(图1和图2)，微球直径900~1200 nm。
实施例2：
将50 mL异丙醇和2 mL硫酸氧钛（TiOSO4）混合，搅拌均匀，然后将此混合溶液转移至反应釜中，200 ℃下反应12小时。自然冷却后，经离心、洗涤、干燥得TiO2微米球，微球直径1000~1300 nm。

Claims (5)

1.一种利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将钛源加入异丙醇中并充分搅拌，将此混合反应溶液转移至反应釜中，在160~240℃温度下溶剂热反应6~24小时，自然冷却至室温，生成三维多孔结构TiO2微米球；
（2）反应产物通过离心、以去离子水和无水乙醇反复洗涤多次，在58-62℃的温度下干燥，然后通过研磨得到白色粉体产品，或者直接分散在无水乙醇溶剂中。
2.根据权利要求1所述的利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，其特征在于：
步骤（1）所述的钛源选自钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯和硫酸氧钛中的一种。
3.根据权利要求1所述的利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，其特征在于：步骤（1）中异丙醇和钛源的质量比为（20~160）：1。
4.根据权利要求2所述的利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，其特征在于：
步骤（1）所述的溶剂热反应的温度为200℃。
5.根据权利要求2所述的利用异丙醇醚化反应生成TiO2微米球的醇热合成方法，其特征在于：
步骤（1）所述的溶剂热反应的时间为16小时。
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