[发明专利]一种二氧化钛空心纳米球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机纳米材料技术领域，尤其涉及一种二氧化钛空心纳米球及其制备方法。  

背景技术

二氧化钛（TiO₂）作为一种无毒、稳定、高效的光催化剂，已广泛应用于涂料、抗菌剂、水处理、污染物降解等生活和环保领域。作为光催化剂，二氧化钛在紫外光的照射下，价带上的电子跃迁至导带，产生电子-空穴对，随后电子和空穴分离，迁移至二氧化钛表面，然后与表面周围的水和氧气作用而产生含氧自由基，形成的含氧自由基具有超强的氧化能力，能够氧化大部分有机物，将其完全降解成二氧化碳和水。但是，二氧化钛作为光催化剂的显著缺点是需要使用紫外光作为激发光源，这大大限制了其应用范围。另一方面，紫外光在太阳光中仅占一小部分，大部分发射光都在可见光和红外光区。如何提高二氧化钛对于太阳光的综合利用效率，是一个实际应用中需要解决的问题。 

设计具有特殊结构的二氧化钛和对二氧化钛进行掺杂是提高二氧化钛太阳光利用率的两种重要手段。在结构设计上，空心壳层结构具有一定的优势。由于太阳光在空心结构的内部可以不断的反射，因而光的利用率比较高。同时，这种结构比表面积很大，可以显著提高材料的光催化活性。因此，空心纳米结构在光催化方面具有较高的实用价值。另一方面，通过掺杂的方法可使二氧化钛的光响应范围扩大，是提高材料对太阳光响应范围的有效手段。尤其是非金属掺杂的二氧化钛（如氮掺杂）对可见光的响应表现的尤为突出，是将二氧化钛的光响应范围拓宽的最有效方法之一。此外，由于非晶二氧化钛在晶化时往往尺寸会明显长大，如果能得到结晶度好且小尺寸（<5nm）的二氧化钛纳米晶，将能很大程度上提高其比表面积，使其具有更好的光催化活性。 

硬模板法是大量合成尺寸均一、结构规则的二氧化钛空心结构的常用手段，但是该方法有其自身明显的弱点，主要在于包裹二氧化钛壳层后，需要增加额外的步骤来除去模板。二氧化硅模板是最常见的一种硬模板，在刻蚀二氧化硅的过程中，一方面增加了时间和劳动力成本；另一方面，刻蚀需要使用氢氟酸或浓氢氧化钠溶液，在实际操作中存在危险，而且对环境具有潜在的污染隐患。因此，有必要开发出一种高效的二氧化钛空心纳米结构合成方法，以减少繁琐的后续过程。 

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种二氧化钛空心纳米球及其制备方法，该制备方法工艺简单、易操作、可重复性好，制备的二氧化钛空心纳米球尺寸均匀，具有可见光响应的特性，对可见光的利用效率高。 

有鉴于此，本发明提供了一种二氧化钛空心纳米球的制备方法，包括以下步骤： 

a）将环己烷、非离子表面活性剂、助表面活性剂、去离子水和氨水混合，搅拌后得到第一混合溶液；

b）将正硅酸乙酯、N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和环己烷混合，然后加入所述第一混合溶液中，搅拌后得到第二混合溶液；

c）向所述第二混合溶液中加入乙醇，离心清洗后分散至异丙醇中，形成O-SiO₂纳米球的异丙醇溶液，O表示有机杂化；

d）将所述O-SiO₂纳米球的异丙醇溶液分散在含有异丙醇、去离子水和氨水的混合溶液中，形成分散液；

e）将二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的异丙醇溶液注入所述分散液中，搅拌，离心清洗后干燥，得到h-TiO₂纳米球，h表示空心；

f）将所述h-TiO₂纳米球高温退火，得到二氧化钛空心纳米球。

优选的，步骤a）中环己烷、非离子表面活性剂、助表面活性剂、去离子水和氨水的体积比为150:35:35:8:2。 

优选的，步骤b）中正硅酸乙酯和N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为2:1。 

优选的，步骤b）中搅拌时间为24小时。 

优选的，步骤c）中所述乙醇与第二混合溶液的体积比为1:1，所述O-SiO₂纳米球的异丙醇溶液的浓度为0.1摩尔/升。 

优选的，步骤d）中所述异丙醇、去离子水和氨水的体积比为100:25:3。 

优选的，步骤e）中所述二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的异丙醇溶液的浓度为10毫摩尔/升，注射速度为30-60微升/分钟。 

优选的，步骤e）中搅拌时间为12小时。 

优选的，步骤f）中所述高温退火的温度为800-1000℃，高温退火的时间为5小时。