CN1821085A - 纳米介孔二氧化钛的低温制备方法 - Google Patents
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Abstract
纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，涉及一种纳米介孔二氧化钛，尤其是涉及一种具有较高光催化活性的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法。提供一种制备过程不需要经过高温煅烧，反应温度均低于100℃，所制备出的纳米介孔二氧化钛晶粒非常细小，同时具有大比表面积和晶相可控等优点的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法。步骤为将钛酸盐溶于无水乙醇得溶液A，将三嵌段共聚物溶于乙醇，再加入酸得溶液B，在搅拌条件下，将溶液B滴加到溶液A中得溶液C；将溶液C静置固化后，晾干得干凝胶，研磨细；取干粉放入酸乙醇溶液中加热，搅拌回流后抽提出模板剂P123，同时又使得二氧化钛由无定型转为不同晶型的超细二氧化钛；离心后将沉淀物洗涤干燥。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米介孔二氧化钛，尤其是涉及一种具有较高光催化活性的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法。
背景技术
有序介孔材料是近几年来国际上跨学科的研究热点之一。按化学组成分类，介孔材料一般可分为硅基和非硅基两大类，前者主要包括有序介孔SiO2，对其研究有较多报道，后者包括过渡金属氧化物、磷酸盐和硫化物等。由于大多数非硅基介孔材料存在可变价态，有可能为介孔材料开辟新的更广阔的应用领域。二氧化钛是它们之中应用较广的一类材料。
在过去的几十年里，二氧化钛作为光催化剂和催化剂的载体一直是最广泛研究的金属氧化物之一。由于其既能应用于环境污染治理：如光催化降解多种无机和有机污染物；又在能源开发领域有良好的实际应用：如光催化分解水制氢，因此成为国内外研究的热点。虽然二氧化钛作为高活性催化剂已广为人知，但这些二氧化钛大都不是多孔结构。可以预见，介孔的二氧化钛将具有与非孔性二氧化钛不同的优异性能。介孔二氧化钛有较规整的孔道结构，较大的比表面积，因此深入研究和掌握纳米介孔二氧化钛分子筛的合成具有十分重要的意义。
目前，制备介孔氧化物一般使用模板法，所用的模板剂主要有阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、长链有机胺和无机晶体模板等。大多数都是通过高温热处理的方法除去模板剂，但该法制备过程中存在着一个关键的问题，就是二氧化钛很难既保持高结晶度又保持介孔结构和大比表面积。这是因为高温煅烧使二氧化钛晶型完整的同时，使模板剂所形成的介孔结构部分或全部坍塌，又减小比表面积。例如中国专利CN 1322676A公开了一种以聚乙烯吡咯烷酮为模板剂的纳米介孔二氧化钛溶胶凝胶低温制备工艺，通过500℃热处理获得比表面积为65m2/g，晶粒尺寸为20nm左右的二氧化钛混晶粉体。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的工艺所制备的纳米介孔二氧化钛的晶粒尺寸较大，比表面积较小，制备过程需要经过高温热处理等问题，提供一种制备过程不需要经过高温煅烧，反应温度均低于100℃，所制备出的纳米介孔二氧化钛晶粒非常细小，同时具有大比表面积和晶相可控等优点的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法。
本发明的另一目的还在于为制备其他介孔材料提供一种除去模板剂的方法。
本发明的技术方案是以酸溶液抽提的办法替代传统的高温煅烧消除模板剂，同时利用酸浓度来控制二氧化钛的晶型结构，该二氧化钛具有较高的光催化活性。
本发明的步骤为：
1)将钛酸盐溶于无水乙醇得溶液A，按体积比，钛酸丁酯∶无水乙醇溶液＝1∶(2～4)；
2)将三嵌段共聚物(P123)溶于乙醇，再加入酸，搅拌混匀得溶液B，按摩尔比三嵌段共聚物∶乙醇∶水∶酸＝1∶800～2200∶180～600∶5～15；
3)在搅拌条件下，将溶液B滴加到溶液A中得溶液C；
4)将溶液C静置固化后，凉干得干凝胶，研磨细；
5)取1g的干粉放入20～40ml的酸乙醇溶液中，加热至75～85℃，搅拌回流后抽提出模板剂P123，同时又使得二氧化钛由无定型转为不同晶型的超细二氧化钛；
6)离心后，将沉淀物分别用水和无水乙醇洗涤，干燥。
在制备过程中，所述的钛酸盐可选自钛酸丁酯、异丙醇钛或四氯化钛。将三嵌段共聚物(P123)溶于乙醇后，所加入的酸可选自盐酸、硝酸或硫酸。所得的溶液B按摩尔比三嵌段共聚物∶乙醇∶水∶酸＝1∶1400～1600∶250～300∶9～11，最好为三嵌段共聚物∶乙醇∶水∶酸＝1∶1500∶275∶10。在搅拌条件下，将溶液B滴加到溶液A中时，控制温度为36～45℃，最好为40℃。再将溶液C在36～45℃，最好为40℃，搅拌1h，静置固化15～35h，优选18～24h，最好为20h后，凉干得干凝胶，研磨细，过筛小于100目。在取干粉放入酸乙醇溶液中时，酸乙醇溶液的浓度为0.1mol/L～2.5mol/L，最好加热至78℃，搅拌回流20～30h，最好为24～30h，回流后抽提出模板剂P123，同时又使得二氧化钛由无定型转为不同晶型的超细二氧化钛；所述的酸乙醇溶液选自盐酸乙醇溶液或硝酸乙醇溶液；在取1g的干粉放入酸乙醇溶液中时，酸乙醇溶液最好为25～35ml。
与现有的制备纳米介孔二氧化钛的工艺相比，本发明的突出特点是，采用溶胶凝胶方法，首先能够确保各个组分在分子水平复合，并发生相互作用。P123是双亲基团的表面活性剂，在溶液中达到一定浓度时可以形成规则排列的棒状胶束。由于胶束的空间位阻作用，使得水解缩合过程中形成的二氧化钛网络很小，最后使得酸乙醇溶液抽提后的二氧化钛晶粒很小(＜10nm)，而P123抽提后又形成了较规整的介孔结构增大比表面积(＞200m2/g)。酸乙醇溶液抽提的同时，无定型的二氧化钛晶粒在酸催化的作用下逐渐转变为锐钛矿相，随着酸浓度的增加，晶相经由锐钛矿和晶红石的混晶相逐渐变为晶红石相。同时本发明还为制备其他介孔材料提供一种除去模板剂的方法。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的纳米介孔二氧化钛的孔径分布图(横坐标为孔径分布，单位为nm；纵坐标为孔体积，单位为cm3/g-nm)。
图2为本发明实施例1所制备的纳米介孔二氧化钛的XRD图(横坐标为2θ，单位为°；纵坐标为吸收强度，单位为a.u.)。
具体实施方式
以下实施例将对本发明作更详细的说明。
实施例1：将10ml的钛酸丁酯溶于20ml的无水乙醇溶液中，搅拌混匀。另将3g P123溶于45ml无水乙醇，再加入2mol/L的稀盐酸2.6ml，搅拌混匀。将此溶液逐滴滴加到钛酸丁酯的乙醇溶液中，并在40℃下搅拌1h，静置固化20h，然后放室温下凉干成干凝胶并研细成粉。取3.5g磨细的干粉，放入111.4ml 0.15mol/L的盐酸乙醇溶液中(1.4ml浓盐酸+10ml水+100ml无水乙醇)，在加热至78℃搅拌回流24h。高速离心，沉淀用水洗涤三遍，再用无水乙醇洗涤一遍。80℃下干燥12h，获得比表面积为234.5m2/g、介孔尺寸为3.4nm(通过图1的孔径分布图可以看出)、晶粒尺寸为6nm左右(将图2上(101)晶面的半峰宽值代入Scherrer公式计算所得)的锐钛矿相的二氧化钛粉体。
实施例2：将10ml的钛酸丁酯溶于20ml的无水乙醇溶液中，搅拌混匀。另将3gP123溶于45ml无水乙醇，再加入2mol/L的稀盐酸2.6ml，搅拌混匀。将此溶液逐滴滴加到钛酸丁酯的乙醇溶液中，并在40℃下搅拌1h，静置固化20h，然后放室温下凉干成干凝胶并研细成粉。取2.5g磨细的干粉，放入80ml 0.4mol/L的盐酸乙醇溶液中(2.6ml浓盐酸+7.4ml水+70ml无水乙醇)，在加热至78℃搅拌回流24h。高速离心，沉淀用水洗涤三遍，再用无水乙醇洗涤一遍。80℃下干燥12h，获得比表面积为202.7m2/g、介孔尺寸为3.6nm、晶粒尺寸为7nm左右的含80％锐钛矿相和20％晶红石相的二氧化钛混晶粉体。
实施例3：将10ml的钛酸丁酯溶于20ml的无水乙醇溶液中，搅拌混匀。另将3g P123溶于45ml无水乙醇，再加入2mol/L的稀盐酸2.6ml，搅拌混匀。将此溶液逐滴滴加到钛酸丁酯的乙醇溶液中，并在40℃下搅拌1h，静置固化20h，然后放室温下凉干成干凝胶并研细成粉。取6.0g磨细的干粉，放入155ml 2.35mol/L的盐酸乙醇溶液中(30ml浓盐酸+5ml水+120ml无水乙醇)，在加热至78℃搅拌回流24h。高速离心，沉淀用水洗涤三遍，再用无水乙醇洗涤一遍。80℃下干燥12h，获得比表面积为165.9m2/g、介孔尺寸为4.0nm、晶粒尺寸为9nm左右的晶红石相的二氧化钛粉体。
实施例4：将10ml的钛酸丁酯溶于20ml的无水乙醇溶液中，搅拌混匀。另将3g P123溶于45ml无水乙醇，再加入2mol/L的稀盐酸2.6ml，搅拌混匀。将此溶液逐滴滴加到钛酸丁酯的乙醇溶液中，并在36℃下搅拌1h，静置固化24h，然后放室温下凉干成干凝胶并研细成粉。取3.5g磨细的干粉，放入111.4ml 0.15mol/L的盐酸乙醇溶液中(1.4ml浓盐酸+10ml水+100ml无水乙醇)，在加热至78℃搅拌回流24h。高速离心，沉淀用水洗涤三遍，再用无水乙醇洗涤一遍。80℃下干燥12h，获得比表面积为215.0m2/g、介孔尺寸为3.4nm、晶粒尺寸为7nm左右的锐钛矿相的二氧化钛粉体。
实施例5：将10ml的钛酸丁酯溶于20ml的无水乙醇溶液中，搅拌混匀。另将3g P123溶于45ml无水乙醇，再加入2mol/L的稀盐酸2.6ml，搅拌混匀。将此溶液逐滴滴加到钛酸丁酯的乙醇溶液中，并在45℃下搅拌1h，静置固化18h，然后放室温下凉干成干凝胶并研细成粉。取3.5g磨细的干粉，放入111.4ml 0.15mol/L的盐酸乙醇溶液中(1.4ml浓盐酸+10ml水+100ml无水乙醇)，在加热至78℃搅拌回流24h。高速离心，沉淀用水洗涤三遍，再用无水乙醇洗涤一遍。80℃下干燥12h，获得比表面积为181.8m2/g、介孔尺寸为4.1nm、晶粒尺寸为10nm左右的锐钛矿相的二氧化钛粉体。
制得的二氧化钛比表面积测试均采用micromeritics公司生产的Tristar 3000比表面测试仪；晶相采用Philips公司生产的X’pert X射线粉末衍射仪测定，晶粒尺寸用Scherrer公式计算。采用上述实施例制备的纳米介孔二氧化钛进行光催化降解水中甲基橙性能评价，采用自制光化学反应器，反应器配置有磁力搅拌器、石英反应瓶、12W紫外杀菌灯作为光源，主波长为365nm。光催化反应条件：水中甲基橙浓度为20mg/L，催化剂用量为1g/L，反应温度为30℃，反应时间为2h。结果表明发明的二氧化钛有高的光催化活性。
表1给出了实施例1-5所制备的纳米介孔二氧化钛对水中甲基橙光催化降解率的比较。
表1
| 光催化剂 | 甲基橙降解率(％) |
| 市售二氧化钛 | 65.3 |
| 实施例1制得的二氧化钛 | 89.9 |
| 实施例2制得的二氧化钛 | 93.1 |
| 实施例3制得的二氧化钛 | 82.4 |
| 实施例4制得的二氧化钛 | 88.7 |
| 实施例5制得的二氧化钛 | 83.3 |
Claims (10)
1、纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于其步骤为：
1)将钛酸盐溶于无水乙醇得溶液A，按体积比，钛酸丁酯∶无水乙醇溶液＝1∶2～4；
2)将三嵌段共聚物溶于乙醇，再加入酸，搅拌混匀得溶液B，按摩尔比三嵌段共聚物∶乙醇∶水∶酸＝1∶800～2200∶180～600∶5～15；
3)在搅拌条件下，将溶液B滴加到溶液A中得溶液C；
4)将溶液C静置固化后，凉干得干凝胶，研磨细；
5)取1g的干粉放入20～40m1的酸乙醇溶液中，加热至75～85℃，搅拌回流后抽提出模板剂P123，同时又使得二氧化钛由无定型转为不同晶型的超细二氧化钛；
6)离心后，将沉淀物分别用水和无水乙醇洗涤，干燥。
2、如权利要求1所述的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于所述的钛酸盐选自钛酸丁酯、异丙醇钛或四氯化钛。
3、如权利要求1所述的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于将三嵌段共聚物溶于乙醇后，所加入的酸选自盐酸、硝酸或硫酸。
4、如权利要求1所述的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于所述的溶液B按摩尔比三嵌段共聚物∶乙醇∶水∶酸＝1∶1400～1600∶250～300∶9～11。
5、如权利要求4所述的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于所述的溶液B按摩尔比三嵌段共聚物∶乙醇∶水∶酸＝1∶1500∶275∶10。
6、如权利要求1所述的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于将溶液B滴加到溶液A中时，控制温度为36～45℃，再将溶液C在36～45℃搅拌，静置固化15～35h。
7、如权利要求1或6所述的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于所述的溶液B凉干得干凝胶，研磨细，过筛小于100目。
8、如权利要求1所述的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于在取干粉放入酸乙醇溶液中时，酸乙醇溶液的浓度为0.1mol/L～2.5mol/L，加热至78℃，搅拌回流20～30h，回流后抽提出模板剂P123。
9、如权利要求1所述的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于所述的酸乙醇溶液选自盐酸乙醇溶液或硝酸乙醇溶液。
10、如权利要求1所述的纳米介孔二氧化钛的低温制备方法，其特征在于在取1g的干粉放入酸乙醇溶液中时，酸乙醇溶液为25～35ml。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Quanzhou Yuandong Inspection Technology Co., Ltd. Assignor: Xiamen University Contract record no.: 2010350000273 Denomination of invention: Process for preparing nano mesoporous titanium dioxide at low tempeature Granted publication date: 20081126 License type: Exclusive License Open date: 20060823 Record date: 20101019 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081126 Termination date: 20150303 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |