[發明專利]一種低溫制備高純納米級亞氧化鈦的方法

在審

• 申請號: 201710910232.4
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107720808A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 居殿春;邱家用;徐敏人;白妮;陳春鈺;張榮良;周夏芝;周磊
• 申請（專利權）人: 張家港江蘇科技大學產業技術研究院
• 主分類號: C01G23/04
• 分類號: C01G23/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理事務所(普通合伙)11369
• 代理人: 韓飛

技術領域

本發明涉及一種亞氧化鈦的制備方法，尤其涉及一種低溫制備高純納米級亞氧化鈦的方法。

背景技術

亞氧化鈦是一系列非化學計量的鈦的氧化物，其通式為Ti_nO_2n-1(n＝4～10)。1959年，X射線學家Magnéli首先以銳鈦礦型TiO₂為基礎對這類物質進行了系統研究。因此，人們將這類物質統稱為Magnéli相，簡稱亞氧化鈦。近年來Magnéli相的研究吸引越來越多的研究者關注，尤其是Magnéli相中的Ti₄O₇因具有較強的耐腐蝕性、電化學穩定性以及高導電率等優良性質，在燃燒電池催化劑載體、氣敏元件、抗反射膜、光電催化等方面展現出巨大的應用前景。

目前，亞氧化鈦通常利用高溫燒結法制備，主要的還原劑包括H₂、NH₃、C、Ti、Si、Zr等，高溫燒結法的突出問題是材料顆粒在高溫燒結過程中長大、粗化現象十分突出，導致材料的性能大大降低，因為材料的顆粒大小、孔隙率、結晶度等直接影響其光學、電磁學以及電化學的特性。為改善材料的形貌特性，科研人員相繼開發了激光燒蝕法、溶膠凝膠-燒結法等，在一定程度上實現了對材料形貌和尺寸的控制，降低了還原溫度要求，但沒有從根本上解決材料制備過程中由于較高的燒結溫度導致的顆粒長大問題，表1中列舉了部分具有代表性的亞氧化鈦制備方法。

表1 Magnéli相亞氧化鈦制備工藝

從表1可以看出，亞氧化鈦的制備工藝較為復雜，反應溫度高、反應時間長，而反應溫度、反應時間對亞氧化鈦的微觀形貌、顆粒大小有決定性的影響，此外，亞氧化鈦的物理和化學性能隨著精確的亞氧態(n值)明顯地發生變化。

制備過程中，亞氧化鈦極易受反應條件影響，所以必須精確控制反應條件，以利于生成預期的產物。影響還原程度和產物組分的因素主要包括：反應物組分、還原劑在原料中的分散度、粒徑大小、原料密度、反應溫度及反應時間等。

發明內容

針對現有技術中存在的技術問題，本案的目的是提供一種能夠在較低溫度下制備高純納米級亞氧化鈦的方法，以期簡化制備工藝流程，并實現連續化工業生產。

為實現上述目的，本案通過以下技術方案實現：

一種低溫制備高純納米級亞氧化鈦的方法，其包括：

步驟1)制球：將納米級金紅石型鈦白粉、還原劑和潤濕劑進行混勻、造球，制得球徑2-5cm的球團，再將球團在105℃下進行2-4h烘干處理；球團的球徑太大或太小均不利于還原過程的快速、順利進行；烘干一方面用于提高球團強度，保證在輸運過程不易破裂，另一方面防止球團在快速升溫過程中由于熔劑瞬間揮發膨脹導致的爆裂；

步驟2)還原：將烘干后的球團置于具有非氧化性氣氛的微波回轉窯中加熱至700-900℃，保溫20-60min，反應完成后在還原性氣流作用下冷卻；還原爐是以微波為熱源的爐體，爐型為回轉窯，且還原爐只有前部分有加熱功能，后部分無加熱功能，可以在爐內同時實現加熱和冷卻兩個連續的工序；選用以微波為熱源的還原爐可達到快速升溫和降溫的要求，防止產生由于升溫或降溫時間過長導致的顆粒長大、粗化現象；加熱溫度不宜過高或過低，過高容易造成反應產物長大和粗化；過低會造成反應速度減緩，生產效率低下，因此加熱溫度需要控制在適宜的范圍內；保溫時間不宜過長或過短，過長易造成反應產物的長大和粗化；過短會造成反應不完全，反應產物不純凈，因此保溫時間需要控制在合適的范圍內；

步驟3)研磨：將還原后的球團經破碎處理后放入到球磨機中進行研磨，研磨時間20-60min；研磨時間不宜過長或過短，過長會造成能耗增加，生產成本提高，過短會造成研磨不均，顆粒尺寸分布集中度差等，因此研磨時間應優選控制在20-60min；

步驟4)熱處理：將研磨后的粉體進行熱處理，熱處理溫度200-400℃，熱處理時間2-4h，最終獲得高純納米級亞氧化鈦。熱處理的目的是進一步提高其純凈度。

優選的是，所述的低溫制備高純納米級亞氧化鈦的方法，其中，所述金紅石型鈦白粉的粒徑不超過100nm。

優選的是，所述的低溫制備高純納米級亞氧化鈦的方法，其中，所述還原劑選自氨基酸中的至少一種。

優選的是，所述的低溫制備高純納米級亞氧化鈦的方法，其中，所述潤濕劑為溶解有所述還原劑的有機溶液或者水溶液，所述潤濕劑中還原劑的占比不超過5wt％。