[发明专利]TiO2－SiO2复合气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高孔容、高比表面积TiO₂-SiO₂复合气凝胶的常压干燥制备方法。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)光催化材料具有氧化能力强、光催化活性高、化学与光学稳定性良好等优点，在太阳能电池以及有机污染物处理、杀菌消毒等环保领域有着广泛的应用前景。特别是近年来，纳米TiO₂在空气净化、水净化等环保领域中的研究与应用日益受到人们的重视。与其它催化材料一样，TiO₂光催化材料需要有大的比表面积；另外，多孔结构可赋予材料高的吸附作用，吸附/光催化协同作用，能够有效消除空气、水中的有机污染物。SiO₂气凝胶是一种新型轻质纳米多孔材料，具有高比表面积、高孔隙率等特点。因此制备TiO₂-SiO₂复合气凝胶有望结合TiO₂的光催化活性、多孔材料的高吸附性以及SiO₂的高热稳定性和优良的机械性能，在涉及吸附/光催化的许多领域将具有非常广泛的应用前景。

为获得多孔结构的TiO₂-SiO₂复合气凝胶，以前采用较多的方法是采用超临界干燥工艺，B.Malinowska等采用溶胶-凝胶法通过超临界干燥技术制备了TiO₂-SiO₂复合气凝胶，所得气凝胶比表面积为320～327m²/g(Applied Catalysis B：Environmental，2003，46：441-451)。然而，超临界干燥工艺需要用到高压釜，工艺复杂、成本高，而且有一定的危险性。近几年，采用非超临界干燥工艺制备SiO₂气凝胶、TiO₂-SiO₂气凝胶的研究倍受关注。以工业水玻璃为原料，采用常压干燥工艺可制备高孔隙率的SiO₂气凝胶(Materials Letters，2006，60：3718-3722；硅酸盐学报，2005，33(8)：963-967)。以钛酸丁酯、硅溶胶为原料，通过添加干燥控制化学添加剂甲酰胺以形成比较完善的凝胶网络结构，通过对湿凝胶进行正硅酸乙酯的乙醇溶液浸泡、低表面张力溶剂替换和分级陈化以及干燥等步骤，可实现块状TiO₂-SiO₂复合气凝胶的非超临界干燥制备；所得TiO₂-SiO₂气凝胶表观密度约0.4～0.9g/cm³，孔隙率约80％～95％，比表面积300～400m²/g，孔体积在1～2cm³/g之间(高等学校化学学报，2004，25(2)：325-329；同济大学学报(自然科学版)，2005，33(8)：1078-1082)，该工艺由于是采用低表面张力的无水乙醇溶液来反复浸泡凝胶以替换凝胶中的水，因此非常耗时，而且存在替换不彻底的缺点，因此所得TiO₂-SiO₂气凝胶的孔体积和比表面积不是很高。另外，采用价格较昂贵的钛醇盐和硅醇盐作为制备TiO₂-SiO₂气凝胶的前驱体，制备成本相对较高，不利于TiO₂-SiO₂气凝胶的大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高孔容的TiO₂-SiO₂复合气凝胶，并提供利用常压干燥技术制备这种复合气凝胶的方法。

本发明所述的TiO₂-SiO₂复合气凝胶的Ti/Si摩尔比1∶10～10∶1、密度为0.1～0.35g/cm³、孔隙率84～94％、孔径5.0～20.0nm、孔体积为1.0～5.0cm³/g、比表面积为500～1200m²/g。

该TiO₂-SiO₂复合气凝胶的制备方法包括如下步骤：

①分别配制TiCl₄水溶液和硅酸溶液；

②制备TiO₂-SiO₂复合溶胶，使Ti/Si摩尔比为1∶10～10∶1；

③溶胶陈化，形成复合凝胶；