[發(fā)明專利]一種直接溶液法制備氧化鈦納米管的工藝

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510281799.0
• 申請(qǐng)日: 2015-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN104909406A
• 公開（公告）日: 2015-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 薛寒松;張維娜;李信宇;王開;邢志輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): C01G23/053
• 分類號(hào): C01G23/053;B82Y30/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全流程直接采用全溶液，在高溫高壓水熱環(huán)境中利用超聲波進(jìn)行協(xié)同作用原位合成氧化鈦納米管的工藝。

背景技術(shù)

納米氧化鈦是一種新型半導(dǎo)體材料，在潔凈能源、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑材料、汽車工業(yè)、家電行業(yè)、紡織工業(yè)、國防軍事等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

在實(shí)際應(yīng)用中，氧化鈦半導(dǎo)體光催化效率是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。就氧化鈦?zhàn)陨斫Y(jié)構(gòu)而言，影響其光催化效率的因素主要包括：比表面積、晶型、晶格缺陷、粒徑尺寸等。

氧化鈦具有三種天然的晶型：銳鈦礦型(Anatase)、金紅石型(Rutile)和板鈦礦型(Brookite)。亞穩(wěn)態(tài)的銳鈦礦和板鈦礦一般通過鍛燒處理轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定相的金紅石型氧化鈦。較早研究認(rèn)為銳鈦礦型納米氧化鈦具有良好的光催化性能，但近期研究表明銳鈦礦與金紅石的混晶型納米氧化鈦具有比單一晶型的氧化鈦更好的光催化性能。混晶型氧化鈦之所以具有高光催化活性，是因?yàn)殇J鈦礦型氧化鈦晶體表面生長出薄的金紅石結(jié)晶層，由于晶體結(jié)構(gòu)不同，費(fèi)米能級(jí)不同，可以有效的促進(jìn)光生電子和空穴向催化劑表面遷移。這種現(xiàn)象被稱作“混晶效應(yīng)”。

氧化鈦納米管與其它形態(tài)的氧化鈦納米材料相比具有更大的比表面積和更強(qiáng)的吸附能力，因而具有更高的光催化性能、光電轉(zhuǎn)換效率。將氧化鈦制備成具有特定晶型的納米管是提高納米氧化鈦光催化性能的新途徑。

目前國內(nèi)外制備氧化鈦納米管的方法主要采用：水熱合成法、模板合成法、陽極氧化法以及微波合成法等。水熱合成法為目前制備氧化鈦納米管最常用的方法之一，水熱合成法也稱水熱法是指在特制的密閉反應(yīng)容器高壓釜里，采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，通過對(duì)反應(yīng)容器的加熱，創(chuàng)造一個(gè)高溫、高壓(一般在高于100℃和高于一個(gè)大氣壓)的反應(yīng)環(huán)境，使得通常條件下難溶或者不溶的物質(zhì)溶解、重結(jié)晶或解離的一種方法。在水熱條件下，物質(zhì)玻璃相或非晶相的晶化速率較通常條件下提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)；由于水熱條件下的反應(yīng)處于分子水平，反應(yīng)活性提高，因而水熱反應(yīng)可以替代某些高溫固相反應(yīng)；又由于水熱反應(yīng)的均相成核及非均相成核機(jī)理與固相反應(yīng)的擴(kuò)散機(jī)制不同，因而水熱反應(yīng)體系中產(chǎn)生的高溫高壓可制備一些常溫下一般濕化學(xué)方法難以合成的新化合物和新材料。高溫高壓水熱反應(yīng)的開拓及其在此基礎(chǔ)上?開發(fā)出來的水熱合成路線，己成為目前獲取多數(shù)無機(jī)功能材料和特種組成與結(jié)構(gòu)的無機(jī)化合物以及納米材料的重要途徑。

但水熱法制備納米管最大弊端是反應(yīng)時(shí)間長，一般在20h以上，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物長度和直徑難于控制；并且制備一定晶型(銳鈦礦型、金紅石型、混晶型)的氧化鈦納米管還需后續(xù)熱處理才能最終成型。如西南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文(2007)“離子摻雜鈦酸鹽納米管的水熱合成及物理性能研究”，報(bào)道的在140℃溫度下、以高壓釜制備摻雜鈦酸鹽納米管需要7天時(shí)間。又如公開號(hào)為CN101302036A的“一種摻雜二氧化鈦納米管的制備方法”，其水熱反應(yīng)過程需20h，且需后續(xù)400℃保溫2.5h的熱處理才能制得所需晶型的氧化鈦納米管。

另外，目前的水熱合成法都是以納米粉體為前驅(qū)物制備氧化鈦納米管，不論是外購的納米粉還是自制的納米粉作為前驅(qū)物，由于其表面能高，表面易吸附大量雜質(zhì)離子而造成二次污染，不利于后續(xù)制備純凈的納米管的問題；考慮前驅(qū)物納米粉的制備周期，實(shí)際上以納米粉為前驅(qū)物制備納米管的方法需要一個(gè)較長的周期。如公開號(hào)為CN104324743A的“一種氮摻雜氧化鈦納米管復(fù)合Fe₂O₃催化劑的制備方法”，是以摻氮二氧化鈦粉體為前驅(qū)物，通過水熱合成制備摻氮二氧化鈦納米管。改進(jìn)的水熱合成法如授權(quán)公告號(hào)為CN101633491B的“一種制備氧化鈦納米管的工藝”，采用高溫高壓水熱環(huán)境中協(xié)同超聲波作用合成氧化鈦納米管，是采用由化學(xué)法制備的氧化鈦納米粉。

盡管如此，水熱法仍是目前納米材料工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的主要方法，怎樣提高納米材料工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的效率，成為人們研究的對(duì)象。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有以納米粉體為前驅(qū)物水熱合成納米管存在的缺陷，提供一種制備氧化鈦納米管的工藝，它采用在高溫高壓水熱環(huán)境中同時(shí)利用超聲波進(jìn)行協(xié)同作用，不經(jīng)其它中間環(huán)節(jié)，不經(jīng)后續(xù)熱處理，直接以溶液原位合成所需晶型氧化鈦納米管的工藝，既能夠縮短反應(yīng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，又能夠防止二次污染，保證氧化鈦納米管純度。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

該制備氧化鈦納米管的工藝包括如下步驟：