[发明专利]铁掺杂的纳米二氧化钛/二氧化硅核壳结构的纳米粒子的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料的合成方法，涉及核壳结构的纳米粒子的制备方法，特别涉及一种铁掺杂的纯金红石相纳米二氧化钛/二氧化硅核壳结构的纳米粒子的制备方法。

背景技术

纳米TiO₂是一种21世纪的新型多功能精细产品，其粒径介于1～100nm，具有光催化活性好、抗菌、抗紫外、毒性低、稳定、价廉、易于回收等优势，可广泛应用于防晒化妆品、电子、纺织、建材、生物医药及航天航空等领域。其中，金红石相纳米TiO₂由于性质稳定、折射率高和相对较低的光催化活性而成为一种理想的紫外线屏蔽剂。金红石相纳米TiO₂的晶粒尺寸、结晶度、表面羟基含量等是影响其紫外线屏蔽效果和分散性的重要因素。热处理是改变金红石相纳米TiO₂的结晶度和晶粒尺寸的一种有效方法，但高温煅烧常造成纳米晶粒尺寸、一次粒径的快速长大，甚至造成纳米粒子间的烧结。这些都影响了纳米TiO₂本身性能的发挥，限制了在某些方面的应用。对金红石型纳米TiO₂进行表面包覆的目的在于：①使之与周围介质之间建立起一道屏障，降低其光化学活性，提高其耐光性、耐候性和抗粉化性；②提高其分散性。

由于SiO₂表面的硅羟基使它非常适合用于材料的表面改性，如形成各种类型的核-壳结构，已经报导的有Au/SiO₂，ZnO/SiO₂和Au/SiO₂等等(J.Phys.Chem.B，105(2001)，3441-3452，J.Phys.Chem.C，112(2008)，17397-17401，J.Am.Chem.Soc.，129(2007)，1524-1525)。由于纳米二氧化钛对紫外线的屏蔽是以吸收和散射为主，经紫外分光光度仪检测，它对200nm以上的紫外光线的屏蔽率高达99.99％。纳米氧化硅则是以反射为主，在紫外长波段(320nm～400nm)反射率达到88％；对紫外中波段(280nm～320nm)反射率为85％；对紫外短波段(200nm～280nm)反射率仍在70～80％。因此，已有很多学者开始研究在纳米二氧化钛的表面包覆二氧化硅。这样，一方面可以避免纳米微粒发生团聚，有良好的分散性和耐侯性；另一方面纳米材料表面包覆SiO₂以后的电、光等性能都有很大的改变，从而具有广阔的应用前景。

目前，已有专利报道复合抗紫外粉体纳米二氧化钛或表面包复处理后的纳米二氧化钛具有较高的紫外屏蔽效果，且均匀、稳定、不分层(例如EP0078633A1；WO 96/15197；CN 200410064594.9；CN 200510029593.5)。但是这些反应步骤繁琐，过程周期长，得到的粒子粒径偏大，因此也限制了其进一步的应用。本发明所用水热法低温制备金属掺杂纳米二氧化钛并对其表面进行无机包覆还未见文献和专利报道。本发明消除了目前的纳米金红石型氧化钛的制备方法中存在的不是设备投资高，就是操作费用高，使产品的广泛应用受到阻碍的缺陷，提供了一种设备投资低、工艺简单、原料低廉的纳米金红石型氧化钛的制备方法。本发明提供的纳米金红石型氧化钛表面包覆的制备方法，只需室温便可进行，且粉体表观密度比现有其它工艺制备的粉体小。

发明内容

本发明的目的是解决现有制备金红石相纳米二氧化钛的方法存在高温热处理导致晶体分散性变差、颗粒易团聚、比表面积小、表面羟基化程度低的问题，提供一种制备过程简单的铁掺杂的二氧化钛/二氧化硅核壳结构的纳米粒子的制备方法，并且制备的核壳结构的纳米粒子具有很好的分散性，具有较大的比表面积和表面羟基化程度，且紫外线吸收能力和耐候性优良。

本发明采用水热法制备了铁掺杂的纯金红石相纳米二氧化钛，以正硅酸乙酯或硅酸钠为硅源，制备了铁掺杂的纯金红石相纳米二氧化钛/二氧化硅核壳结构的纳米粒子。

本发明的铁掺杂的纳米二氧化钛/二氧化硅核壳结构的纳米粒子的制备方法包括以下步骤：

(1)将钛源溶液与蒸馏水按照体积比为1∶4～1∶6的比例混合均匀；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入铁掺杂物，铁掺杂物的加入量相对于钛源溶液中钛源的质量百分比为1wt％～30wt％；

所述的铁掺杂物为氯化铁、硝酸铁、氧化铁或硫酸铁中的一种；

(3)将步骤(2)得到的溶液转移到容器(如玻璃瓶)中，封口密闭后放入水热釜中，在温度为110～140℃下水热反应20～30小时；