[发明专利]一种高活性水分散性纳米二氧化钛的制备方法及应用

说明书

技术领域：

本发明涉及一种高活性水分散性纳米二氧化钛的制备方法及其在光催化降解有机污染物方面的应用，属于光催化材料制备及光催化应用领域。

背景技术：

纳米二氧化钛(TiO₂)因其具有氧化性强、耐酸碱性好、化学性质稳定、对生物无毒、来源丰富等优点而成为当前最具应用潜力的一种光催化剂，在难降解有机污染物的处理方面受到了广泛的重视。

纳米TiO₂光催化氧化降解有机污染物过程中，纳米TiO₂光催化剂是光催化过程的关键部分。纳米TiO₂光催化剂的活性是光催化氧化技术能否得到实际应用的一个决定因素。纳米TiO₂光催化剂的催化活性主要依靠于TiO₂的微观结构和物化性质，而纳米TiO₂的制备方法是影响其微观结构与物化性质(如纳米颗粒的晶体结构及缺陷、粒径大小、形貌、表面化学性质等)的重要因素。

制备纳米TiO₂的方法可分为物理法、化学法和物理化学法。其中物理法是最早用来制备纳米颗粒的方法，常用的有构筑法(如气相冷凝法)和粉碎法(如高能球磨法)。物理法通常采用高能消耗的方式，强制材料粉末化而得到纳米颗粒，该法的优点是所制备纳米颗粒纯度高，缺点是产量低、设备投入大。化学法是现今纳米TiO₂颗粒制备领域研究最多的方法，它意味着在纳米TiO₂制备过程中伴随着一些化学反应。可根据反应物系的形态分为固相法、液相法和气相法。许多研究学者对采用化学法制备纳米TiO₂的方法做了详尽的综述，包括溶胶凝胶法、水热法、溶剂热法、微乳液法、化学气相沉积法、微波辐射法、超声法等。另外一些研究者针对最新发展起来的制备纳米TiO₂的高级离子工程技术如金属离子浸入法、离子簇火焰沉积法、射频磁控溅射技术等做了研究。

在上述方法中，化学法中的液相法(如溶胶凝胶法、水热法、溶剂热法、微乳液法等)具有设备简单、原料价格便宜、可大量生产和易操作等优点，在实验室研究中被广泛采用，但在制备过程中普遍存在所得产物形态不均、晶粒大、易团聚等问题。工业上纳米TiO₂生产主要采用硫酸法和氯化法。其中，硫酸法是目前中国国内纳米TiO₂生产厂大多采用的方法，属非连续生产工艺，工艺流程复杂，而且生产过程中产生的废酸及排出的废气需要花费大量费用，由于国内硫酸法生产厂对环境的影响，中国有关部门早将硫酸法制备TiO₂的工厂定为限制产业。氯化法是美国杜邦(Du Pont)公司研制开发的新方法，与国内普遍使用的硫酸法相比，能耗至少低30％，水耗至少低50％，固体废弃物低一个数量级，全球过去20年间TiO₂产能的增加主要集中于氯化法。20世纪80年代，德国迪高沙(Degussa)公司采用O₂氧化气相TiCl₄生产纳米TiO₂颗粒，商品牌号是P25，该纳米颗粒由25％的金红石型TiO₂和75％的锐钛矿型TiO₂组成，粒径～30nm，BET比表面积为50m²·g^-1，是目前市场上能购买的性能较好的纳米TiO₂颗粒。不足之处在于该产品成本较高，制备过程温度高而且对工艺参数控制要求精确，对设备材质要求较严。

由于纳米颗粒粒径小，表面能大、易于团聚而失去纳米粒子特性，当前纳米TiO₂的实验室或工业制备均存在生产中颗粒分散不均匀、易团聚、易失活等缺点；而研究者对纳米TiO₂制备的研究主要集中在粉体，有关其水分散性的研究较少。高水分散性纳米TiO₂可以克服纳米TiO₂因其粒径小、表面能大而出现的团聚问题；提供宏观上的均相反应体系(例如，与传统的TiO₂光催化反应体系相比，在宏观上不存在两相边界)，提高纳米TiO₂的光催化反应活性；而且有利于在溶液状态下研究TiO₂的光学、电学及催化特性，为反应器件的设计提供精确的信息。因此在低温下合成高活性水分散性纳米TiO₂具有很大的实用价值。