[发明专利]一种制备锐钛矿型纳米TiO2的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备纳米二氧化钛的新方法，特别是涉及锐钛矿型纳米二氧化钛光催化剂的制备，属于精细化工领域。

背景技术

随着纳米材料研究的深入，纳米组装体系、人工组装合成纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，这意味着纳米材料的研究已可以按照人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性，技术上的飞跃，为纳米材料的应用进一步打开市场的大门，在广泛的领域形成了一大批高技术产品。

纳米TiO₂是N型半导体，禁带宽度为3.0eV，属于紫外光(380nm以下)激发范围，TiO₂价带上的电子(e^-)在光的作用下可以被激发跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴(h⁺)。随后h⁺和e^-与吸附在TiO₂表面上的H₂O等发生作用，生成·OH、·O₂^-等高活性集团，这些具有极强氧化作用的活性氧和羟基自由基，能将甲醛、甲胺等有害有机物、污染物臭气、细菌等氧化分解成无害的CO₂和H₂O。

目前，制备纳米TiO₂的方法很多，基本上可归纳为物理法和化学法。物理法又称为机械粉碎法，对粉碎设备要求很高；化学法又可分为气相法(CVD)、液相法和固相法。物理气相沉积法(PVD)是利用电弧、高频或等离子体等高稳热源将原料加热，使之气化或形成等离子体，然后骤冷使之凝聚成纳米粒子。化学气相沉积法(CVD)利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生成所需化合物，该法制备的纳米TiO₂粒度细，化学活性高，但该过程一次性投资大，同时需要解决粉体的收集和存放问题。液相法是选择可溶于水或有机溶剂的金属盐类，使其溶解，并以离子或分子状态混合均匀，再选择一种合适的沉淀剂或采用蒸法、结晶、升华、水解等过程，将金属离子均匀沉积或结晶出来，再经脱水或热分解制得粉体。而液相法中的溶胶-凝胶法(Sol-Gel方法)利用金属醇盐的水解和缩聚作用的溶胶-凝胶法，作为一种制备纳米粉末的有效方法，已经合成了均匀性较好的TiO₂凝胶及纳米TiO₂粒子，但这种方法所制备的纳米TiO₂粒子团聚严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合溶胶-凝胶法与二次水解法制备锐钛矿型纳米TiO₂的新方法。该方法不仅工艺简单，操作安全，环境污染物排放量少，而且产品晶粒尺寸小，不易团聚，质量稳定。

本发明结合溶胶-凝胶法和二次水解法，以钛酸四正丁酯Ti(OC₄H₉)₄作为TiO₂的前驱物，无水乙醇(C₂H₅OH)作为有机溶剂，通过改变制备条件制备纳米TiO₂催化剂粉体材料，主要分溶胶-凝胶、二次水解和焙烧三个步骤进行。

具体制备过程如下：

用乙醇对钛酸四正丁酯进行醇解制备溶胶，用无机酸调节pH值在4～7之间，然后滴加蒸馏水，连续搅拌得透明溶胶，陈化、干燥后变成酥松固体颗粒；往以上所制得的凝胶固体颗粒中加入蒸馏水，超声波振荡后静置、过滤得白色粉末；通入饱和氩气后进行焙烧制得纳米TiO₂粉体。

具体制备条件如下：

1.醇的选择：溶剂为乙醇，醇解温度为0℃-70℃，钛酸四正丁酯和乙醇的质量比为1∶0.1-1∶10。

2.无机酸的选择：无机酸可以选择浓盐酸或浓硝酸为酸源，加入适量调节溶液酸度，PH值应在4～7之间。

3.钛酸四正丁酯和蒸馏水的质量比为1∶0.001-1∶0.1，水解时间为0.5h-8h，加入水的量不宜过多，水量过多会导致白色沉淀析出，得不到均匀的溶胶。

4.搅拌、醇解温度和时间：搅拌、水解温度和时间均能极大地影响锐钛矿型纳米晶粒的形貌，静置与搅拌影响粉体的形貌。不同的醇解温度和时间影响溶胶的均匀性，一般醇解温度为0℃-70℃，醇解时间为0.5h-8h，具体与钛酸四正丁酯和有机溶剂的质量比、蒸馏水的用量、PH值有关。