[發(fā)明專利]N摻雜空心TiO2微球的合成方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010153793.2
• 申請日: 2010-04-22
• 公開（公告）號: CN101805019A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發(fā)明（設計）人: 喬敏;吳石山;陳強;沈健
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學
• 主分類號: C01G23/08
• 分類號: C01G23/08
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種空心無機微球的合成方法，具體地說是一種N摻雜空心TiO₂微球的合成方法。

背景技術(shù)

近年來，無機空心粒子已經(jīng)成為化學和材料科學中廣泛研究的主題。其中，TiO₂空心微球引起了格外的關(guān)注，它在光催化、光化學太陽能電池、化學傳感器等方面有著重要的應用。通過煅燒和溶劑溶解將聚合物-TiO₂(核-殼)復合微球中的核除去就得到空心TiO₂微球。調(diào)節(jié)煅燒條件可得到銳鈦型、金紅石型TiO₂。聚合物-TiO₂復合微球制備主要采用層層自組裝法和溶膠-凝膠法。溶膠-凝膠法方法簡單、產(chǎn)率高。TiO₂前驅(qū)體的水解和縮聚非常快，如不進行適當控制，難以進行生成TiO₂粒子的均勻包覆。常選用無機酸和絡合物作抑制劑進行控制。TiO₂的光催化應用由于它的寬譜帶間隔而受到限制-紫外光輻照呈光催化活性。而紫外光僅占太陽光總能量的5％，可見光占45％。因此，從紫外光到可見光的范圍實現(xiàn)TiO₂的光催化響應，對提高其光催化效率具有重大作用。方法有摻雜金屬離子和非金屬元素等，其中N摻雜最為普遍。以往合成N摻雜TiO₂方法要分別使用抑制劑和N摻雜劑，比較繁雜。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明提供了一種操作簡單、在合成體系中使用三乙醇胺承擔抑制劑和N摻雜劑的雙重作用的N摻雜空心TiO₂微球的合成方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的N摻雜空心TiO₂納米粒子的合成方法，包括以下步驟：

(1)反應容器中加入苯乙烯(St)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和水，N₂保護下攪拌20min；其重量比是：St為10～9.71％，PVP為0～2.91％，水為90～87.38％；

(2)N₂保護下，將步驟(1)的混合物加熱到70℃，加入與步驟(1)中St等重量的過硫酸鉀(KPS)水溶液(1％，質(zhì)量分數(shù))反應12h，得到聚苯乙烯(PS)乳液；

(3)反應容器中加入乙醇、氨水和步驟(2)所得的PS乳液，攪拌、保持在50℃；其重量比是：乙醇為93.14～87.96％，氨水為1.96～7.41％，PS乳液為4.90～4.63％；

(4)向步驟(3)中的反應容器中加入鈦酸四正丁酯(TBT)、三乙醇胺(TEA)、乙醇三者混合的混合溶液，進行TiO₂包覆PS?1.0～10h，加完后繼續(xù)攪拌5h即得到懸浮液；所述混合溶液的用量為步驟(3)中PS乳液重量的0.4～4.0倍；當步驟(1)中PVP加入量為0時，混合溶液中TBT、TEA、乙醇的重量比為1.0∶0.1～0.4∶1.0；當步驟(1)中加入PVP時，混合溶液中TBT、TEA、乙醇的重量比為1.0∶0.1～0.4∶9.0。

(5)對步驟(4)所得的懸浮液進行離心分離、干燥得到聚苯乙烯-TiO₂復合微球，其中聚苯乙烯為核、TiO₂為殼；

(6)對步驟(5)所得的聚苯乙烯-TiO₂復合微球，在500℃煅燒2h除去聚苯乙烯即得到N摻雜空心TiO₂微球。

在體系中，TBT通過溶膠-凝膠(sol-gel)反應生成TiO₂粒子，然后沉積到PS粒子表面形成TiO₂殼，得到PS-TiO₂(核-殼)復合微球。通過煅燒除去PS核得到銳鈦型的N摻雜空心TiO₂微球。反應體系中是否加入PVP對N摻雜空心TiO₂微球的尺寸有影響。未加入PVP時合成的PS粒子尺寸較大，而加入PVP時合成的PS粒子尺寸較小。因此，對未使用PVP合成的PS包覆、煅燒得到的N摻雜空心TiO₂微球尺寸大于對使用PVP合成的PS包覆、煅燒得到的微球尺寸。PVP用量增加，N摻雜空心TiO₂微球尺寸下降。氨水用量對N摻雜空心TiO₂微球的表面形態(tài)有影響。TEA用量增加，的殼表面變得光滑，TiO₂殼中的摻雜N含量提高。TBT用量增加，TiO₂殼層厚度增大。通過煅燒條件的控制，使無定形TiO₂轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦型TiO₂。