[发明专利]一种二氧化钛光催化剂的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化钛纳米颗粒合成方法，特别是一种用于光催化降解的二氧化钛催化剂的合成方法。

背景技术

二氧化钛是一种重要的半导体材料，具有化学性能稳定、价格低、清洁无污染、生物相容性好等诸多优导特性，尤其具有非常高的光催化活性，被认为是最具有开发前景的绿色环保型光催化剂，一直是多相光催化领域的一个研究热点。

二氧化钛有三种晶体结构，即锐钛矿、金红石和板钛矿结构，不同结构氧化钛性能差异很大。当前，研究人员普遍认为锐钛矿结构氧化钛的光催化活性最高。锐钛矿二氧化钛的禁带宽度为3.2eV，能够吸收紫外光，激发晶体中价带上的电子到导带上，同时在价带上产生正电荷的空穴，形成电子－空穴对。电子－空穴对相当于一个电池的两极，光催化机理就是在电池两极发生氧化－还原过程。研究发现影响二氧化钛的光催化活性因素有很多，如晶粒尺寸，晶粒越小，电子－空穴对分离的越快，越不容易复合，所以光催化效率越高。氧化钛的晶化度越高，光催化性能也越高。还有氧化钛表面羟基和氧化钛表面的改性等诸多因素。研究二氧化钛合成的主要内容就是在一定程度上提高以上因素，提高二氧化钛的光催化活性。

公开的专利和文献中关于TiO₂合成方法很多，早期合成主要用沉淀法、溶胶-凝胶法等，这些方法都可以很容易获得纳米级氧化钛粉末。如专利CN97108439.4公开了一种均相沉淀法，用钛酸与尿素共沉淀获得二氧化钛，经焙烧后形成纳米氧化钛。但这些方法获得的氧化钛都是不定形的氧化钛，须经进一步高温处理，形成晶相二氧化钛。而且形成的氧化钛无固定的形态，不能进行形貌控制。

形貌和尺寸控制一直是纳米二氧化钛合成的重要研究内容。水热合成法能够控制二氧化钛的形貌，如专利CN200810239755.1公开了一种氧化钛纳米带的水热合成方法，以氧化钛粉为钛源，在乙醇的NaOH或KOH等强碱溶液中在160℃～200℃反应一段时间，就可以获得带状的产物。缺点是产品尺寸太大，带长度达到微米级，宽度也有几十纳米。当前公认的是氧化钛达到纳米级，光催化活性更高，显然其不适合做光催化剂。另外，我们重复该实验发现，该工艺的产品重复性不好，有时产物不是锐钛矿结构的氧化钛，而是钛酸钠，所以该工艺对产品的控制比较困难。

专利CN101468812A公开了一种二氧化钛纳米棒的合成方法，将钛粉与无水乙醇、CCl₄等有机溶剂的强碱溶液混合，采用微波加热方法可以快速合成氧化钛纳米棒，棒长度150～200nm，直径10纳米。但微波加热样品处理量低。

Yang huagui文章（Nature，2008，453：638）报道了一种片层微米级二氧化钛晶体，特征是主要以（001）面裸露，尺寸单一，并带来了二氧化钛晶体形貌控制的热潮。其合成过程在HF溶液中，用四氟化钛作为前驱体的水热合成。而专利CN200910110851.0公开了一种在氢氟酸溶液中，用异丙醇钛作为氧化钛前驱体，形成纳米氧化钛片层的合成方法。

由以上现有技术可以看出，水热合成法虽然能够控制氧化钛的形貌，但都是在强酸或强碱溶液作为溶剂，不易回收，具有很强的腐蚀性，造成环境污染。另外，水热法还有产量低和压力大等不利因素。特别在追求形貌控制时，开始溶液浓度都非常的低，所以产量低。在水热法基础上的溶剂热法，可以解决以上问题。

Wu Binghui在文献（J. Amer. Chem. Soc. 2008，130，12597）中报道了用苯甲醇作为溶剂，温度在160℃，在保护剂作用下可以获得外貌均匀的纳米锐钛矿二氧化钛，晶体外貌是棱形，以(100)面为主要裸露面，具有很高的光降解作用。该类方法通常称作醇解法。

CN101618891A公开了以钛酸四丁酯为钛源、采用十二胺辅助油酸溶剂热技术，制备二氧化钛纳米棒自组装超点阵材料的方法。CN101759228A中公开了一种微乳液溶剂热合成类单分散二氧化钛纳米晶制备方法。这两种方法具有相似之处，所获得的氧化钛纳米颗粒是小于10nm的超细粒子，在液相反应中分离难度大，很难回收。

发明内容

本发明采用溶剂热方法合成了氧化钛光催化剂，合成过程以长链烷烃或烯烃作为溶剂，以有机钛盐作为氧化钛的前驱体和有机胺作为保护剂。将三种液体在室温进行混合，形成透明的溶液，密封；而后在一定温度下，靠在自身产生的高压下反应一定时间；最后冷却到室温，进行分离，清洗，回收。本发明方法简单，实验条件宽松，易于操作，产量高，制备的氧化钛纳米颗粒结晶度高，具有很高的光降解性能，适合用作光催化剂。