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CN109319836A - 一种电场控制下TiO2纳米颗粒的热解合成方法 - Google Patents

一种电场控制下TiO2纳米颗粒的热解合成方法 Download PDF

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韩秀梅
常娟雄
程静
孙金月
孙晴雯
李梦莹
李妍
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Abstract

本发明公开了属于纳米结构的氧化物制备技术领域的一种TiO2纳米颗粒的新型合成方法。该方法是将钛盐加入到适当的溶剂中溶解得到注射液，注射液加入注射器中，由注射泵灌注，从针头中出来的液滴，在一定的外加电场作用下，形成纳米束流，纳米束流热解产生所需要的TiO2纳米颗粒。本合成方法不需要经过溶液反应，也无需高温煅烧，可以很方便地制备直径为10～100nm的TiO2纳米颗粒。本方法无需高温煅烧，避免了晶粒长大和团聚，保持了高活性。相对于水热合成法，无需高温高压的超临界状态，简化了工艺，操作简单，价格低廉，大大降低了设备要求，易于大批量工业化生产。

Description

一种电场控制下TiO2纳米颗粒的热解合成方法
技术领域
本发明属于纳米结构的氧化物制备技术领域，特别是涉及一种TiO2纳米颗粒的新型合成方法。
背景技术
一般情况，TiO2是白色固体粉末，主要有三种晶型：金红石、锐钛矿和板钛。其中以金红石和锐钛矿更为常见。金红石型TiO2由于具有较高的折射率和优秀的双折射率而具有优异的白色遮盖能力，广泛应用于白色颜料、陶瓷釉料、油漆、油墨、橡胶、造纸等领域。金红石和锐钛矿的混合相纳米微粒具有优异的光催化性能而应用于化妆品、防霉、杀菌、环境保护等方面。由于钛酸盐具有优秀的功能特性，TiO2还可以做为原料制备铁电、压电、介电陶瓷材料。
目前TiO2的工业制备主流工艺是将TiCl4在高温下蒸发形成气体，然后在空气中燃烧，就可获得钛白粉。主要化学反应如
TiCl 4 +O 2 =TiO 2 +2Cl 2
这种方法主要是需要在密闭环境中进行，因为TiCl4和Cl2具有一定的毒性。
在实验室中大都采用在不同条件下钛盐水解法来制备不同形态和物相的TiO2粉体，其中钛盐既包括TiCl4，TiOSO4等无机盐，也包括钛酸四丁酯、异丙醇钛等钛的醇盐。水解后的前聚体通常还需要进行热处理来获得不同的结晶相。
上述方法虽然可制备TiO2粉体，但是不能实现对纳米结构的控制，制备方法较为繁琐。制备条件较为苛刻如，需要进行高温烧结或在水热条件下进行反应，这就大大增加了制备成本及难度。本方法可以实现在较低温度下即能完成TiO2纳米粉体合成，不需要消耗大量的能源，大大节约制备成本，提高合成效率，易于大批量工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种电场控制下TiO2纳米颗粒的热解合成方法，其特征在于，其工艺步骤为：
1）将钛盐加入到适当的溶剂中溶解得到注射液；
2）将步骤1）所得注射液加入注射器中，由注射泵灌注，从针头中出来的液滴在一定的外加电场作用下形成纳米束流；
3）纳米束流在一定的温度下，热解产生TiO2纳米颗粒；
4)TiO2纳米颗粒在静电场作用下，由静电捕获装置收集形成最终产品。
所述钛盐为四氯化钛、硝酸氧钛、异丙醇钛、钛酸四丁酯、钛酸四乙酯中的一种或几种。
所述溶剂为水，甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、丁酮中的一种或几种的混合物。
所述的一定的电场条件为交流电场或直流电场，电场强度为100～±100000V/cm。
所述的热解温度为500～1000℃，
所述的钛盐浓度为0.01～10M。
所述采用的注射装置为注射泵、滴定管、针头的一种或几种。注射速率为1L/min～100ml/min。
本发明的有益效果是利用本发明的合成方法不需要经过高温煅烧或水热反应，可以在常压下直接从溶液中制备直径为10～100nm的TiO2纳米颗粒。本方法通过电场，实现对纳米结构的可控生长。相对于其他钛盐水解法，本方法无需高温煅烧，避免了晶粒长大和团聚，保持了高活性。相对于水热合成法，无需高温高压的超临界状态，简化了工艺，操作简单，价格低廉，大大降低了设备要求，易于大批量工业化生产。是整个制备过程更易操作和控制。相当于主流工业方法TiCl4燃烧法，不需要高温和密闭环境，避免了有毒物质的引入。
附图说明
图1 实施例1所述的TiO2纳米颗粒SEM照片。
图2 实施例1所述的TiO2纳米颗粒XRD图谱。
具体实施方式
本发明提供一种电场控制下TiO2纳米颗粒的热解合成方法，下面结合实施例和附图对该发明做进一步说明。
实施例1
将3.40g钛酸四丁脂溶于10ml无水乙醇中，得到注射液A液。将A液吸入10ml注射器中，安置到注射泵上。将注射泵设置灌注速度为100mL/min。将注射器针头接入高压电源的高压电极，收集器为不锈钢网，其电极接地。高压电源设置+5000V电压，注射泵开始运行，将A液在高压下由注射器喷出，在喷出口下方放置酒精灯使喷出液持续加热点燃。此时喷出液形成纳米束流由于燃烧而形成喷出火焰，火焰形成的固体纳米颗粒物被接地的收集器所收集。反应结束后，关闭高压电源和注射泵，取下收集器，直接获得TiO2纳米颗粒。如图1所示的SEM照片表明产物为直径30nm的纳米颗粒；如图2所示的XRD照片表明产物为金红石和锐钛矿的复相结构。
实施例2
将3.40g四氯化钛溶于10ml丙酮中，得到注射液A液。将A液吸入10ml注射器中，安置到注射泵上。将注射泵设置灌注速度为100ml/min。将注射器针头接入高压电源的高压电极，收集器为不锈钢网，其电极接地。高压电源设置+5000V电压，注射泵开始运行，将A液在高压下由注射器喷出，在喷出口下方放置干燥箱，加热温度600℃，使喷出液持续加热点燃。此时喷出液形成纳米束流由于燃烧而形成喷出火焰，火焰形成的固体纳米颗粒物被接地的收集器所收集。反应结束后，关闭高压电源和注射泵，取下收集器，直接获得TiO2纳米颗粒。如图1所示的SEM照片表明产物为直径30nm的纳米颗粒；如图2所示的XRD照片表明产物为金红石和锐钛矿的复相结构。
实施例3
将3.80g异丙醇钛溶于20ml水中，得到注射液A液。将A液吸入10ml注射器中，安置到注射泵上。将注射泵设置灌注速度为800ml/min。将注射器针头接入高压电源的高压电极，收集器为不锈钢网，其电极接地。高压电源设置+7000V电压，注射泵开始运行，将A液在高压下由注射器喷出，在喷出口下方放置酒精灯使喷出液持续加热点燃。此时喷出液形成纳米束流由于燃烧而形成喷出火焰，火焰形成的固体纳米颗粒物被接地的收集器所收集。反应结束后，关闭高压电源和注射泵，取下收集器，直接获得TiO2纳米颗粒。如图1所示的SEM照片表明产物为直径30nm的纳米颗粒；如图2所示的XRD照片表明产物为金红石和锐钛矿的复相结构。
实施例4
将4.40g钛酸四乙酯溶于15ml甲醇中，得到注射液A液。将A液吸入10ml注射器中，安置到注射泵上。将注射泵设置灌注速度为500ml/min。将注射器针头接入高压电源的高压电极，收集器为不锈钢网，其电极接地。高压电源设置+5500V电压，注射泵开始运行，将A液在高压下由注射器喷出，在喷出口下方放置管式炉，加热温度550℃使喷出液持续加热点燃。此时喷出液形成纳米束流由于燃烧而形成喷出火焰，火焰形成的固体纳米颗粒物被接地的收集器所收集。反应结束后，关闭高压电源和注射泵，取下收集器，直接获得TiO2纳米颗粒。如图1所示的SEM照片表明产物为直径30nm的纳米颗粒；如图2所示的XRD照片表明产物为金红石和锐钛矿的复相结构。

Claims (6)

1.一种TiO2纳米颗粒的合成方法，其特征在于，该方法是在将钛盐溶解到适当的溶剂中，在外加电场的作用下，形成纳米束流，热解制备所需要的TiO2纳米颗粒，其工艺步骤为：
步骤1，将钛盐加入到适当的溶剂中溶解得到注射液；
步骤2，将步骤1所得注射液加入注射器中，由注射泵灌注，从针头中出来的液滴在一定的外加电场作用下形成纳米束流；
步骤3，纳米束流在一定的温度下，热解产生TiO2纳米颗粒；
步骤4，TiO2纳米颗粒在静电场作用下，由静电捕获装置收集形成最终产品。
2.根据权利要求1所述的一种TiO2纳米颗粒的合成方法，其特征在于，所述适当溶剂为水，甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、丁酮中的一种或几种混合物。
3.根据权利要求1所述的一种TiO2纳米颗粒的合成方法，其特征在于，所述钛盐为四氯化钛、硝酸氧钛、异丙醇钛、钛酸四丁酯、钛酸四乙酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种TiO2纳米颗粒的合成方法，其特征在于，所述一定的电场条件为交流电场或直流电场，电场强度为100～±100000V/cm。
5.根据权利要求1所述的一种TiO2纳米颗粒的合成方法，其特征在于，所述的热解温度为500～1000℃，所述的钛盐浓度为0.01～10M。
6.根据权利要求1所述的一种TiO2纳米颗粒的合成方法，其特征在于，所述采用注射泵灌注，灌注速率为1L/min～100ml/min。
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