[发明专利]一种直接溶液法制备氧化钛纳米管的工艺

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种全流程直接采用全溶液，在高温高压水热环境中利用超声波进行协同作用原位合成氧化钛纳米管的工艺。

背景技术

纳米氧化钛是一种新型半导体材料，在洁净能源、环境保护、医疗卫生、建筑材料、汽车工业、家电行业、纺织工业、国防军事等众多领域具有广阔的应用前景和重大社会经济效益。

在实际应用中，氧化钛半导体光催化效率是一个非常重要的指标。就氧化钛自身结构而言，影响其光催化效率的因素主要包括：比表面积、晶型、晶格缺陷、粒径尺寸等。

氧化钛具有三种天然的晶型：锐钛矿型(Anatase)、金红石型(Rutile)和板钛矿型(Brookite)。亚稳态的锐钛矿和板钛矿一般通过锻烧处理转变成为稳定相的金红石型氧化钛。较早研究认为锐钛矿型纳米氧化钛具有良好的光催化性能，但近期研究表明锐钛矿与金红石的混晶型纳米氧化钛具有比单一晶型的氧化钛更好的光催化性能。混晶型氧化钛之所以具有高光催化活性，是因为锐钛矿型氧化钛晶体表面生长出薄的金红石结晶层，由于晶体结构不同，费米能级不同，可以有效的促进光生电子和空穴向催化剂表面迁移。这种现象被称作“混晶效应”。

氧化钛纳米管与其它形态的氧化钛纳米材料相比具有更大的比表面积和更强的吸附能力，因而具有更高的光催化性能、光电转换效率。将氧化钛制备成具有特定晶型的纳米管是提高纳米氧化钛光催化性能的新途径。

目前国内外制备氧化钛纳米管的方法主要采用：水热合成法、模板合成法、阳极氧化法以及微波合成法等。水热合成法为目前制备氧化钛纳米管最常用的方法之一，水热合成法也称水热法是指在特制的密闭反应容器高压釜里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器的加热，创造一个高温、高压(一般在高于100℃和高于一个大气压)的反应环境，使得通常条件下难溶或者不溶的物质溶解、重结晶或解离的一种方法。在水热条件下，物质玻璃相或非晶相的晶化速率较通常条件下提高几个数量级；由于水热条件下的反应处于分子水平，反应活性提高，因而水热反应可以替代某些高温固相反应；又由于水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同，因而水热反应体系中产生的高温高压可制备一些常温下一般湿化学方法难以合成的新化合物和新材料。高温高压水热反应的开拓及其在此基础上 开发出来的水热合成路线，己成为目前获取多数无机功能材料和特种组成与结构的无机化合物以及纳米材料的重要途径。

但水热法制备纳米管最大弊端是反应时间长，一般在20h以上，同时反应产物长度和直径难于控制；并且制备一定晶型(锐钛矿型、金红石型、混晶型)的氧化钛纳米管还需后续热处理才能最终成型。如西南科技大学硕士学位论文(2007)“离子掺杂钛酸盐纳米管的水热合成及物理性能研究”，报道的在140℃温度下、以高压釜制备掺杂钛酸盐纳米管需要7天时间。又如公开号为CN101302036A的“一种掺杂二氧化钛纳米管的制备方法”，其水热反应过程需20h，且需后续400℃保温2.5h的热处理才能制得所需晶型的氧化钛纳米管。

另外，目前的水热合成法都是以纳米粉体为前驱物制备氧化钛纳米管，不论是外购的纳米粉还是自制的纳米粉作为前驱物，由于其表面能高，表面易吸附大量杂质离子而造成二次污染，不利于后续制备纯净的纳米管的问题；考虑前驱物纳米粉的制备周期，实际上以纳米粉为前驱物制备纳米管的方法需要一个较长的周期。如公开号为CN104324743A的“一种氮掺杂氧化钛纳米管复合Fe₂O₃催化剂的制备方法”，是以掺氮二氧化钛粉体为前驱物，通过水热合成制备掺氮二氧化钛纳米管。改进的水热合成法如授权公告号为CN101633491B的“一种制备氧化钛纳米管的工艺”，采用高温高压水热环境中协同超声波作用合成氧化钛纳米管，是采用由化学法制备的氧化钛纳米粉。

尽管如此，水热法仍是目前纳米材料工业规模化生产的主要方法，怎样提高纳米材料工业规模化生产的效率，成为人们研究的对象。

发明内容

本发明的目的是针对现有以纳米粉体为前驱物水热合成纳米管存在的缺陷，提供一种制备氧化钛纳米管的工艺，它采用在高温高压水热环境中同时利用超声波进行协同作用，不经其它中间环节，不经后续热处理，直接以溶液原位合成所需晶型氧化钛纳米管的工艺，既能够缩短反应时间，提高生产效率，又能够防止二次污染，保证氧化钛纳米管纯度。

本发明的目的是这样实现的：

该制备氧化钛纳米管的工艺包括如下步骤：