[發(fā)明專利]一種由層狀納米片組裝的三維花狀鈦酸材料及其合成方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410350522.4
• 申請(qǐng)日: 2014-07-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104140123A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周國(guó)偉;陳奉嬌;李艷敬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 齊魯工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01G23/00
• 分類號(hào): C01G23/00;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 楊琪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種由層狀納米片組裝的三維花狀鈦酸材料及其合成方法，屬于材料合成技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

層狀化合物由于其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，不僅為許多化學(xué)反應(yīng)提供微反應(yīng)器，同時(shí)可以作為其他物質(zhì)的基本單元。層狀鈦酸是一種重要的n-型半導(dǎo)體，屬于TiO₂的衍生物，在性質(zhì)上與TiO₂相似且都是半導(dǎo)體材料。鈦酸納米片具有典型的二維結(jié)構(gòu)，來(lái)源于層狀前體的剝層，因此保持了前體正交晶型結(jié)構(gòu)，以及層板帶有負(fù)電荷的特征。因其獨(dú)特的物理、化學(xué)和光學(xué)性能，被廣泛的研究應(yīng)用，包括光電轉(zhuǎn)換、磁光效應(yīng)、高介電常數(shù)器件、濕敏傳感器、光催化、自清潔，以及生物傳感器等領(lǐng)域。更主要的是層狀鈦酸具有規(guī)整的層狀結(jié)構(gòu)、層間離子交換和層板溶脹剝離等特性，可通過(guò)對(duì)其縱向摻雜改性擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。因此，層狀鈦酸在光電轉(zhuǎn)換和光催化方面的應(yīng)用越來(lái)越引起人們的重視。由二維納米片組裝成的三維花狀結(jié)構(gòu)具有高表面積、高反應(yīng)活性等優(yōu)于其他形狀的納米金屬和納米金屬化合物材料的性質(zhì),如花狀結(jié)構(gòu)Cu₂S具有很高的光催化活性(CrystEngComm,2011,13,6549)、CuO納米花薄膜具有超疏水性(Electrochim.Acta,2007,57,951)、CuO/Ni花狀結(jié)構(gòu)薄膜應(yīng)用于電極提高了電極的電化學(xué)活性(Electrochim.Acta,2009,54,1161)。此外,一些納米金屬粒子在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有嚴(yán)重的團(tuán)聚和粒子架橋現(xiàn)象,從而限制了其納米效應(yīng)和比表面積大的優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮,而控制合成花狀結(jié)構(gòu)后可以避免這些團(tuán)聚現(xiàn)象并依然具有納米顆粒的納米效應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)。因此三維花狀結(jié)構(gòu)被廣泛的研究應(yīng)用。

近年來(lái)，鈦酸的制備方法有高溫固相法，水熱合成法，溶膠-凝膠法，有機(jī)前驅(qū)體法，其中高溫固相法與水熱法最為常用。高溫固相法是通過(guò)高溫煅燒得到鈦酸，但此方法的可控性差，結(jié)構(gòu)容易坍塌，易團(tuán)聚(J.Am.Ceram.Soc.,1998,71,C-49)。水熱法合成主要是利用水熱反應(yīng)，在堿中處理TiO₂得到的鈦酸(Catal.Commun.,2009,10,378)。這兩種方法都依賴于前體TiO₂的晶型與尺寸，同時(shí)這些方法一般都得到不具有特定形貌，尺寸大小不一，雜質(zhì)較多的納米粒子，這些都不利于光生電荷的傳輸和分離，從而導(dǎo)致電子和空穴對(duì)的復(fù)合，影響了材料的催化性能，限制了鈦酸的合成與應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種由層狀納米片組裝的三維花狀鈦酸材料及其合成方法，以鈦酸四正丁酯為鈦源，通過(guò)溶劑熱反應(yīng)合成由二維層狀納米片自組裝成的三維花狀結(jié)構(gòu)的鈦酸。合成方法簡(jiǎn)單，不需要依賴原材料的晶型和尺寸，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，產(chǎn)率高，分散均勻。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種由層狀納米片組裝的三維花狀鈦酸材料，所述三維花狀鈦酸由從結(jié)構(gòu)中心向外發(fā)散的層狀納米片組裝而成，層狀納米片的長(zhǎng)度為100-600nm，寬度為50-200nm，厚度為10-15nm，每個(gè)層狀納米片的層數(shù)為6-10層，層狀納米片的層間距為0.5-1.5nm。優(yōu)選的，層狀納米片的層間距為0.83nm。

該三維花狀鈦酸材料的合成方法，包括以下步驟：

(1)向聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物(P123)中加入乙酸，升溫至30-50℃，攪拌溶解；

(2)向步驟(1)的溶液中加入鈦酸四丁酯(TBT)，攪拌溶解后停止攪拌，得到白色乳狀物，靜置持續(xù)反應(yīng)2-96h；

(3)將步驟(2)反應(yīng)后的白色乳狀物移至反應(yīng)釜中，130-180℃靜置20-28h，得到白色沉淀；

(4)將白色沉淀分離，洗滌，干燥，即得由層狀納米片組裝的三維花狀鈦酸材料。

其中，步驟(1)、(2)中，P123、乙酸、鈦酸四丁酯的加入量的比為1g：(30-40)mL：(0.5-2.5)mL。

步驟(4)中，白色沉淀采用離心分離或抽濾分離；洗滌采用乙醇沖洗；干燥溫度為60-100℃，干燥時(shí)間為18-30h。

優(yōu)選的，步驟(1)、(2)中，P123、乙酸、鈦酸四丁酯的加入量的比為1g：36.75mL：1.0mL。

優(yōu)選的，步驟(2)中，靜置持續(xù)反應(yīng)時(shí)間為24-96h。

本發(fā)明制得的三維花狀鈦酸材料在光電轉(zhuǎn)換、磁光效應(yīng)、高介電常數(shù)器件、濕敏傳感器、光催化、自清潔以及生物傳感器等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果：