[发明专利]二氧化钛多孔材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛多孔材料的制备方法。

背景技术

二氧化钛是一种价格低廉、完全无公害且极稳定的半导体材料，在紫外可见光的照射下，价带电子被激发至导带，同时在价带上形成空穴，在光催化、光降解、环境处理等领域具有广阔的应用前景。由于纳米氧化钛诸多优点(如高效、环境友好、无毒和低廉等)，其被认为是迄今为止用于光解水制氢气、水空气净化和敏化太阳能电池最有前途的光催化剂之一。氧化钛有锐钛矿、板钛矿和金红石三种晶体结构，其中锐钛矿和板钛矿为热力学亚稳相，金红石为热力学稳定相，前两种晶相在加热或机械研磨条件下均可发生相变转化为后者。通常仅锐钛矿相氧化钛具有较高的光催化活性，而金红石相和板钛矿相氧化钛只有较弱或更本没有催化活性。对于用作光解水和敏化太阳能电池用纳米晶锐钛矿相氧化钛，除要求锐钛矿相氧化钛具有小晶粒尺寸和大比表面积外，高结晶度和低表面态分布对于提高光解水量子产率和敏化太阳能电池光电转化效率是极其重要的。高结晶度和低表面态分布在很大程度上取决于制备样品的焙烧温度，通常焙烧温度越高所制备氧化钛结晶度越高、表面态分布越少，但较高焙烧温度(通常高于600-700℃)会使锐钛矿相氧化钛转变为金红石相，同时伴随着由晶粒长大所产生比表面积急剧变小。所以通过高温处理来获得具有高结晶度和低表面态分布的氧化钛的方法必然伴随着相变、晶粒尺寸长大、比表面积严重降低等不利因素的产生。因此，目前制备适用于光解水和敏化太阳能电池的锐钛矿相纳米晶氧化钛的方法中，为了避免以上问题出现，焙烧温度通常低于600℃。但为了得到更加适合光解水和敏化太阳能池用氧化钛光催化剂，迫切需要发展一种能够经过高温(700℃以上)处理仍可稳定存在的具有小晶粒尺寸、大表面积、高结晶度和低表面态分布的锐钛矿相为主的纳米晶氧化钛制备技术。

在催化反应中，由于二氧化钛介孔材料(孔径为2-50nm)具有大的比表面积、均一的孔尺寸等特点，使得反应物分子可以比较容易地扩散到反应的活性中心，因而提高了反应的速率，提供了更多的吸附活性位点，使这类材料广泛地应用在催化、分离、吸附等领域。因此制备出二氧化钛介孔材料引起了人们越来越多的关注，如何控制晶相、粒径、粒径大小分布以及材料的孔径等成为研究的重点。

目前，合成二氧化钛介孔材料一般采用嵌段共聚物或表面活性剂等作为模板剂，合成二氧化钛溶胶-凝胶，然后经热处理除去模板剂的同时而介孔结构得以保留。例如，中国专利CN 1594101A，采用嵌段共聚物为模板，采用溶胶凝胶法制备得到了具有较大孔径、高热稳定性和高光催化活性的稀土掺杂二氧化钛介孔材料。中国专利CN 1594102A，以表面活性剂为连接剂，将二氧化钛纳米粒子组装起来，经过热处理定型，成为孔壁为锐钛矿相的二氧化钛介孔材料。

CN200910114745公开了以葡萄糖脱水后形成的多孔碳为模板的二氧化钛介孔材料的制备方法，以重量百分比计，按如下步骤进行：(1)将10～15％的钛酸酯，2～5％的水解催化剂，30～40％的蒸馏水，10～20％的稀释剂，置于反应器中，剧烈磁力搅拌。(2)将20～48％的葡萄糖加到反应器中，继续搅拌，得到溶胶。挥发溶剂，得到凝胶后在干燥箱中干燥。(3)干燥后的凝胶经退火处理，除去多孔碳模板，就得到二氧化钛介孔材料。