[发明专利]一种高热稳定性锐钛相纳米二氧化钛的合成方法

说明书

本发明提供了一种高热稳定性锐钛矿纳米二氧化钛的合成方法。采用溶胶‑凝胶工艺将钛前驱体在溶剂中分散均匀，引入纳米氧化铝胶体粒子，经过水解及缩聚反应后共凝胶，然后通过干燥后，纳米氧化铝粒子能附着在氧化钛粒子的表面，抑制氧化钛纳米晶粒的长大，将锐钛相到金红石的转变温度从500℃提高到900‑1000℃，从而显著改善了氧化钛锐钛相的热稳定性，使得锐钛相氧化钛的使用温度显著提高；同时具有较高的比表面积；另外本发明的方法具有工艺简单，易于规模生产等特点。

技术领域

本发明涉及一种高热稳定性锐钛相纳米二氧化钛的合成方法，属于纳米粉体材料领域。

背景技术

二氧化钛具有良好的抗紫外线性能、耐候性、耐化学腐蚀性、耐热性、光催化性、热稳定性等特征，被广泛应用于颜填料、吸附剂、催化剂、紫外线屏蔽剂及隔热材料等行业领域，是一种重要的化工原料。二氧化钛主要以锐钛矿和金红石相两种形式存在。锐钛矿的禁带宽度为3.2eV，金红石禁带宽度为3.0eV，锐钛矿较高的禁带宽度使其电子空穴对具有更正或更负的电位，具有较高氧化能力；锐钛矿晶格内有较多的缺陷和位错网，能产生较多的氧空位来俘获电子，催化活性较高；并且锐钛矿晶粒通常具有较小的尺寸及较大的比表面积，表面吸附H₂O，O₂及OH-的能力较强。因此，锐钛矿相较金红石相的TiO₂在氧化能力、催化活性和吸附性能方面更好，被广泛用作吸附剂、工艺催化剂或光催化剂。然而，由于金红石是热力学稳定相，锐钛矿是亚稳相，当温度升高时，锐钛矿TiO₂会转变为金红石TiO₂，从锐钛矿转变为金红石相是不可逆相变。锐钛矿到金红石相的转变一般在500℃以上就会发生，并导致比表面积减小，晶粒尺寸增大，导致其氧化能力、催化活性和红外遮蔽能力急剧降低，限制了其使用。现有技术尚未发现关于提高锐钛矿纳米TiO₂热稳定性拓宽锐钛矿纳米TiO₂的使用温度范围的相关工艺。

发明内容

本发明针对现有技术中锐钛矿二氧化钛材料热力学稳定性相对差的问题，提供一种了一种高热稳定性锐钛矿纳米TiO₂材料的合成方法，以提高锐钛相的热稳定性，延缓锐钛相到金红石相的转变温度，对于改善锐钛相TiO₂的比表面积和耐热性有重要意义。

本发明高热稳定性锐钛相纳米二氧化钛及其合成方法，包括以下步骤：

（1）钛溶胶的制备：将钛前驱体分散在溶剂中进行水解，形成钛溶胶。钛前驱体为四氯化钛、钛酸四甲酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸正丁酯、钛酸四异丁酯的任意一种；溶剂为水-醇混合溶剂，水及醇类溶剂的类型和用量可根据不同的前驱体进行判定调整。

为了使钛前驱体充分水解，可加入助剂如硝酸、乙酸、甲酸等。

（2）铝溶胶的制备：将铝前驱体分散在溶剂中进行水解，形成铝溶胶。其中铝前驱体为仲丁醇铝、异丙醇铝、硝酸铝、氯化铝、结晶氯化铝、水合硝酸铝的任意一种；溶剂为水-醇混合溶剂，水及醇类溶剂的类型和用量可根据不同的前驱体进行判定调整。

（3）凝胶的制备：将钛溶胶和铝溶胶混合，剧烈搅拌分散均匀，静置，溶胶转变为凝胶。混合溶剂溶胶中，钛和铝的摩尔比为1:（0.04~0.6）。

为了引发溶胶粒子的聚合反应，促进凝胶的形成，在混合溶胶中加入凝胶助剂（包括催化剂、螯合剂等）。凝胶助剂为硝酸、乙酸、甲酸、乙醇、甲醇、水、乙酰丙酮、乙酰乙酸乙酯、环氧丙烷等任意一种或几种的组合。凝胶助剂种类可根据所需的反应速率和时间来自行选择。

为了使凝胶中的水解和缩聚反应能进行彻底，可对凝胶进行老化。

（4）干燥和热处理：将凝胶放入反应釜中进行干燥，形成高热稳定性的锐钛矿纳米二氧化钛。干燥工艺可以为常温干燥、超临界干燥、真空干燥的任意一种。

上述工艺过程还可根据要求添加其他添加剂。