CN108128803A - 一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法 - Google Patents

一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法 Download PDF

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Abstract

一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，将钛粉溶于双氧水与氨水的混合液中，室温下搅拌均匀，得到钛过氧化物溶液，然后转移至高压反应釜中，加入去离子水后，在120～240℃下水热反应1～8h，得到水溶性二氧化钛纳米粒子。本发明具有制备条件温和、工艺简单、成本低等优点，制备的TiO2纳米粒子粒径较小，可以在水中很好分散，形成透明溶液，可用作为涂层用于环境净化和自清洁材料。

Description

一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法
技术领域
本发明涉及一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法。
背景技术
TiO2纳米材料在催化、环境、光电器件、能源等方面有着广泛的应用。即在降解水中有机污染物、空气中VOC的降解，太阳能电池的应用等方面均已得到了广泛应用。此外，TiO2还是作为一种典型的自清洁涂层材料，主要借助紫外光照射下产生电子-空穴对，与其表面吸附的水和氧气反应生产羟基自由基分解有机污染物和光照下转化呈超双亲表面提高光催化分解效率两种途径实现。尽管TiO2纳米粒子具有这些优异的性质，但其催化作用主要发生在表面，因此在一定程度上限制了TiO2的实际应用，特别是作为自清洁涂层的应用受到了限制。
目前，关于纳米TiO2的制备方法主要有物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法等，其中物理气相沉积法和化学气相沉积法涉及特殊设备及真空环境，因此TiO2涂层的制备面积受到较大限制，且制备成本较高；溶胶-凝胶发虽然成本低且适于大面积制备，但需要高温处理，因此限制了其在热敏感材料上的应用。这些方法的前驱体大多集中在一些含有钛的化合物，如钛酸异丙酯、异丙氧基钛、四氯化钛等，并且制备纳米TiO2的粒径往往较大(大于20nm)。作为涂层材料的TiO2可来自溶胶和纳米粉体，前者分散性好，但光催化活性低，后者相反。基于这种缺陷的存在，赋予TiO2更小的粒径，使其具有更好的分散性和更大的比表面积，为光催化反应提供更多的反应活性位点，可大幅度提高了光催化活性，具有普通二氧化钛无法比拟的优势。因此，制备小粒径的TiO2纳米粒子是一个研究热点。以金属单质钛为前驱体，制备TiO2小于5nm的水溶性TiO2尚未见文献报道。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，该方法制备条件温和、工艺简单、成本低廉，制备得到的TiO2纳米粒子粒径小于5nm。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，将钛粉溶于双氧水与氨水的混合液中，室温下搅拌均匀，得到钛的过氧化物溶液，然后转移至高压反应釜中，加入去离子水后，在120～240℃下水热反应1～8h，得到水溶性二氧化钛纳米粒子。
本发明进一步的改进在于，双氧水的质量分数为30％。
本发明进一步的改进在于，氨水的质量浓度为30％。
本发明进一步的改进在于，双氧水与氨水的体积比为4:1。
本发明进一步的改进在于，钛粉与双氧水的比为(0.1～0.5)g：20mL。
本发明进一步的改进在于，反应1～8h后自然冷却到室温，倒掉上层水溶液，再冷冻干燥，得到水溶性二氧化钛纳米粒子。
本发明进一步的改进在于，钛过氧化物溶液与去离子水的体积比为1:(5～16.5)。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明将钛粉、双氧水和氨水制备可溶性钛粉前驱体溶液，通过水热合成法反应可得到水溶性TiO2纳米粒子。一方面，具有制备条件温和、工艺简单、成本低等优点；另一方面制备的TiO2纳米粒子粒径小于5nm，赋予了TiO2纳米粒子更小的粒径和更大的比表面。
2.本发明制备的TiO2纳米粒子为纯TiO2不含有任何杂质，并且可以在水中分散均匀，形成透明溶液，因此本发明制备的透明溶液作为涂层在外墙涂层材料、车灯、玻璃等环境净化和自清洁材上可均匀涂饰，克服了TiO2作为自清洁材料时，TiO2粒子分散、分布不均匀和粘结的问题。
附图说明
图1为本发明制备的标尺长度为10nm的水溶性TiO2纳米粒子的透射电镜图；
图2为本发明制备的标尺长度为50nm的水溶性TiO2纳米粒子的透射电镜图；
图3为本发明制备的水溶性TiO2纳米粒子的晶斑衍射图；
图4为本发明制备的水溶性TiO2纳米粒子的XRD图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，应当理解的是，这些具体实施例仅用于解释和说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种水热合成法原理制备水溶性TiO2纳米粒子的方法，具体步骤如下：
1)钛粉前驱体溶液的配制
a.将0.25g钛粉溶于10mL质量分数为30％的双氧水和2.5mL质量分数为30％氨水的混合液中，得到混合溶液；
b.将得到的混合溶液室温下搅拌，得到淡黄色透明的钛过氧化物溶液，即钛粉前驱体溶液；
2)水溶性TiO2纳米粒子的制备
a.取5mL的钛粉前驱体溶液置于50mL水热合成反应釜中，之后加入去离子水，使最后的溶液体积为35mL，搅拌至充分混合均匀；
b.将所述反应釜中的混合物在120℃下进行反应5h；
c.将反应后的产物自然冷却至室温，倒掉上层水溶液，之后冷冻干燥，即得水溶性TiO2纳米粒子。
实施例2
与实施例1不同在于，步骤2中的步骤b中为：将所述反应釜中的混合物在180℃下进行反应5h。
实施例3
与实施例1不同在于，步骤2中的步骤b中为：将所述反应釜中的混合物在240℃下进行反应5h。
实施例4
制备过程同实施例1，不同在于步骤1)中双氧水的量为30mL，氨水的量为7.5mL。
实施例5
制备过程同实施例1，不同在于步骤1)中双氧水的量为20mL，步骤2)中前驱体溶液体积为2mL。
实施例6
制备过程同实施例1，不同在于步骤1)中双氧水的量为20mL，步骤2)中前驱体溶液体积为5mL。
实施例7
按体积比4:1，将质量分数为30％双氧水与质量浓度为30％氨水混合，得到混合液，将钛粉溶于混合液中，室温下搅拌均匀，得到钛过氧化物溶液，然后转移至高压反应釜中，加入去离子水后，在240℃下水热反应1h后自然冷却到室温，倒掉上层水溶液，再冷冻干燥，得到水溶性二氧化钛纳米粒子。其中，钛粉与双氧水的比为0.1g：20mL，钛过氧化物溶液与去离子水的体积比为1:5。
实施例8
按体积比4:1，将质量分数为30％双氧水与质量浓度为30％氨水混合，得到混合液，将钛粉溶于混合液中，室温下搅拌均匀，得到钛过氧化物溶液，然后转移至高压反应釜中，加入去离子水后，在150℃下水热反应7h后自然冷却到室温，倒掉上层水溶液，再冷冻干燥，得到水溶性二氧化钛纳米粒子。其中，钛粉与双氧水的比为0.5g：20mL，钛过氧化物溶液与去离子水的体积比为1:13。
实施例9
按体积比4:1，将质量分数为30％双氧水与质量浓度为30％氨水混合，得到混合液，将钛粉溶于混合液中，室温下搅拌均匀，得到钛过氧化物溶液，然后转移至高压反应釜中，加入去离子水后，在210℃下水热反应3h后自然冷却到室温，倒掉上层水溶液，再冷冻干燥，得到水溶性二氧化钛纳米粒子。其中，钛粉与双氧水的比为0.2g：20mL，钛过氧化物溶液与去离子水的体积比为1:16.5。
实施例10
按体积比4:1，将质量分数为30％双氧水与质量浓度为30％氨水混合，得到混合液，将钛粉溶于混合液中，室温下搅拌均匀，得到钛过氧化物溶液，然后转移至高压反应釜中，加入去离子水后，在120℃下水热反应8h后自然冷却到室温，倒掉上层水溶液，再冷冻干燥，得到水溶性二氧化钛纳米粒子。其中，钛粉与双氧水的比为0.4g：20mL，钛过氧化物溶液与去离子水的体积比为1:8。
本发明制备的小粒径TiO2纳米粒子呈透明溶液，而市售TiO2在水溶液中呈现白色不透明溶液，说明制备的TiO2纳米粒子有比普通TiO2更小的粒径，可形成均匀分散的溶液。
从图1和图2可以看出，TiO2纳米粒子的微观形貌图，由图1和图2可知，TiO2呈管状紧密有序的排列，从图3可知TiO2粒子的晶格间距为0.3439nm。
从图4可以看出，制备的TiO2纳米粒子与锐钛矿和金红石的特征衍射峰完全一致，说明制备的产物为纯TiO2纳米粒子。制备的TiO2纳米粒子的特征衍射峰分别在2θ为25.46o(锐钛矿101面、金红石110面)、37.64o(锐钛矿004面、金红石101面)、47.93o(锐钛矿200面)、53.89o(锐钛矿211面)、62.52o(锐钛矿204面、金红石310面)、68.41o(锐钛矿116面)、70.21o(金红石301面)处出现。

Claims (7)

1.一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，其特征在于，将钛粉溶于双氧水与氨水的混合液中，室温下搅拌均匀，得到钛的过氧化物溶液，然后转移至高压反应釜中，加入去离子水后，在120～240℃下水热反应1～8h，得到水溶性二氧化钛纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，其特征在于，双氧水的质量分数为30％。
3.根据权利要求1或2所述的一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，其特征在于，氨水的质量浓度为30％。
4.根据权利要求3所述的一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，其特征在于，双氧水与氨水的体积比为4:1。
5.根据权利要求3所述的一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，其特征在于，钛粉与双氧水的比为(0.1～0.5)g：20mL。
6.根据权利要求1所述的一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，其特征在于，反应1～8h后自然冷却到室温，倒掉上层水溶液，再冷冻干燥，得到水溶性二氧化钛纳米粒子。
7.根据权利要求1所述的一种以钛粉为前驱体制备水溶性二氧化钛纳米粒子的方法，其特征在于，钛过氧化物溶液与去离子水的体积比为1:(5～16.5)。
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