CN1322676A - 中孔纳米二氧化钛的溶胶凝胶低温制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种中孔纳米二氧化钛的溶胶凝胶低温制备工艺,以钛酸盐和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料,在醇和水溶液中发生水解和缩合反应,以酸作催化剂来控制水解反应的速度,获得TiO2/PVP凝胶,然后通过热处理,消除凝胶中的PVP,得到中孔TiO2纳米粉体。本发明的二氧化钛催化剂具有混晶效应,有较高的光催化活性。

Description

中孔纳米二氧化钛的溶胶凝胶低温制备工艺
本发明涉及一种纳米二氧化钛粉体光催化剂的制备工艺，尤其涉及一种高效、具有中间内孔(简称中孔)和混晶效应的纳米二氧化钛的溶胶凝胶低温制备工艺，属于催化剂类新材料技术领域。
随着工业的发展，人类生存的环境受到日益严重的污染：从赖以呼吸的空气，到有限的水资源，都不可幸免地被有毒有害化学物质所污染。为此，解决废气废水的污染问题成为环保领域的一项重要工作。近年来发展起来的半导体氧化物光催化降解技术为解决这一问题提供了良好的途径。在众多的半导体氧化物中，二氧化钛因活性高，稳定性好，对人体无害而成为最有应用前景的一种光催化剂。然而，目前的光催化剂所利用的光源主要为紫外光、黑灯等，光催化时间较长，所耗能源大，所以提高二氧化钛的光催化活性具有极大的经济价值。现在公认的光催化活性最高的二氧化钛产品是德国Degauss公司生产的P25，混晶效应是其具有较高光催化活性的主要原因；但诚如武汉大学沈伟韧等在“TiO2光催化反应及其在废水处理中的应用”(《化学进展》1998.12)论文中介绍的，这种在高温1000℃以上、通过气相法合成的、具有混晶效应的二氧化钛纳米粉体很难在实验室条件下制备。
本发明的目的在于提出一种全新的、具有混晶效应的纳米二氧化钛粉体光催化剂的溶胶凝胶制备方法，这种催化剂不仅具有中孔和混晶效应，而且富集羟基，有效提高二氧化钛的光催化效率。
为实现这样的目的，本发明在技术方案中，采用溶胶凝胶工艺，在低温下(小于600℃)制备出具有混晶效应的纳米二氧化钛新型粉体催化剂，即通过钛酸盐在水解形成二氧化钛网络的同时，加入聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，制得的TiO2/PVP溶胶经室温静置后得到二氧化钛/PVP凝胶，然后将凝胶在一定的温度下进行热处理，消除PVP后，在材料中形成许多中孔，二氧化钛低温下大多是锐钛矿相，在与PVP存在相互作用的表面则有金红石相生成，最终制得的中孔纳米二氧化钛粉体具有混晶效应，有较高的光催化活性。
本发明的中孔纳米二氧化钛粉体是以钛酸盐和PVP为原料，在醇和水溶液中发生水解和缩合反应，以酸作催化剂来控制水解反应的速度，获得TiO2/PVP凝胶，通过热处理，消除凝胶中的PVP，得到中孔TiO2纳米粉体。
TiO2纳米粉体的制备工艺主要包括如下步骤：
1、将1份体积的钛酸盐溶于2～5份的醇溶液中，搅拌10～20分钟；
2、在上述钛酸盐醇溶液中，加入控制醇盐水解速度的催化剂，催化剂须
   经水和乙醇稀释后使用，盐酸、水和乙醇的配比为1∶3～4∶100，使PH
   值为3～4，剧烈搅拌20分钟，获得未完全水解的TiO2溶胶；
3、将PVP加入到上述溶液中，PVP的用量为0.05-0.25g/ml，继续搅拌2～
   4小时，在室温下静置，直到形成凝胶；
4、将刚形成的凝胶在450℃～550℃热处理，消除PVP，获得二氧化钛粉
   体。
本发明采用的钛酸盐可以用钛酸丁酯、四氯化钛或异丙醇钛等替代。
本发明采用的醇盐水解催化剂中的盐酸可以用氢氟酸、硫酸等酸替代。
本发明采用了溶胶凝胶工艺，能够确保有机无机组分在分子水平复合，并发生相互作用。由于PVP的位阻作用，使得水解过程中形成的二氧化钛网络很小，最终使得热处理后二氧化钛的晶粒很小，而PVP的去除，又会在二氧化钛中形成中孔，这样就极大地提高了样品的比表面积；热处理时，与PVP存在相互作用的二氧化钛表面会转变为金红石相，其余仍为锐钛矿相，这种两相共存方式，使得二氧化钛具有混晶效应；较大的比表面积、中孔的存在和混晶效应使得样品的光催化活性比P25高出许多。
下面通过具体的实施例来进一步描述本发明的技术方案。
实施例：
1、将5ml钛酸丁酯溶于15ml的乙醇溶液中，搅拌15分钟；
2、在钛酸丁酯溶液中，逐滴加入5ml预先按体积比配置的盐酸、水和乙醇的混合液(HCl∶H2O∶CH3CH2OH=1∶3∶100)，剧烈搅拌20分钟；
3、将1.2g PVP加入到上述混合液中继续搅拌2小时；
4、待溶胶形成凝胶后，将刚生成的凝胶在500℃处理2小时，获得比表面积为65m2/g，晶粒尺寸为20nm左右、中孔尺寸为9nm的纳米二氧化钛粉体，其中锐钛矿相和金红石相的重量百分比分别为75％和25％。

Claims (3)

1、一种中孔纳米二氧化钛的溶胶凝胶低温制备工艺，其特征在于主要包括如下步骤：将1份体积的钛酸盐溶于2～5份的醇溶液中搅拌；在钛酸盐醇溶液中，加入按1∶3～4∶100配置的盐酸、水和乙醇的水解催化剂，使之PH值为3～4，剧烈搅拌获得未完全水解的TiO2溶胶；将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到上述溶液中，PVP的用量为0.05～0.25g/ml，继续搅拌后静置，获得凝胶；将刚形成的凝胶在450℃～550℃热处理，消除PVP，获得二氧化钛粉体。
2、如权利要求1所说的中孔纳米二氧化钛的溶胶凝胶低温制备工艺，其特征在于采用的钛酸盐可以用钛酸丁酯、四氯化钛或异丙醇钛等替代。
3、如权利要求1所说的中孔纳米二氧化钛的溶胶凝胶低温制备工艺，其特征在于采用的水解催化剂中的盐酸可以用氢氟酸、硫酸等酸替代。
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