CN102718255A - 一种二氧化钛空心纳米结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米二氧化钛，具体地，是一种二氧化钛空心纳米结构的制备方法。本发明是以氟钛酸铵（(NH4)2TiF6）为前躯体，以二氧化硅（SiO2）微球为模板，通过调节氟钛酸铵（(NH4)2TiF6）的浓度，水热时间和二氧化硅（SiO2）的尺寸来控制空心微球的尺寸以及壳的厚度。从而在相对低的温度条件下，大量合成尺寸和结构都具有高同向性的二氧化钛（TiO2）空心纳米微球结构，解决了以往合成二氧化硅过程中的尺寸分布范围过大的问题。本发明方法工艺简单易控，成本低廉，适于工业化生产，可通过反应条件来控制反应物的尺寸。

Description

一种二氧化钛空心纳米结构的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米二氧化钛，具体地，是一种二氧化钛空心纳米结构的制备方法。
背景技术
由于核壳结构的纳米材料在催化、色谱层析、生物活性试剂保护、废水处理、大分子缓释体系等领域的应用前景非常广阔，使得可控制备核壳结构纳米材料成为研究的热点；二氧化钛（TiO2）是一种研究较多的多功能精细无机材料，也是重要的陶瓷、半导体及催化材料，又因其具有良好的耐侯性、耐化学腐蚀性、较高的化学稳定性、无毒性、光敏性等独特的性能而广泛应用于涂料、介电材料、油墨、造纸等领域；近年来，由于二氧化钛（TiO2）的多相光催化作用能有效地将大气和水中的有机污染物完全降解为二氧化碳、水和无机酸，既没有二次污染，又可利用太阳能，是一种符合可持续发展需要，且具有广阔应用前景的污水和空气处理新技术；二氧化钛由于其无毒、高的化学稳定性、低成本，因而被广泛的使用作为核壳微球及空心结构的科材料；虽然有不同的方法已经制备出了许多类型的二氧化钛空心球材料，但是存在工艺流程复杂、不易扩大再生产、产品质量有待提高等问题；目前已有的合成方法主要是通过模板法，包括硬模板（例如，无机金属和聚合物胶体颗粒）和软模板（例如，表面活性剂和聚合物的分子模板），以及无模板法；硬模板法通常在模板粒子表面通过层层自组装法或溶胶-凝胶法来形成核壳结构和空心微球，前者工艺复杂，需涉及多次使用带异种电荷的聚电解质；而溶胶-凝胶法难以控制氧化钛纳米颗粒的生成速率，会导致二次粒子的大量聚集，影响微球的分散性；无模板法合成则是通过水热或溶剂热法一步制得核壳结构或空心微球，该方法虽然工艺简单，快捷，但是难以克服产物尺寸分布广，杂质较多的缺点；因此，发明人一直寻求低成本、简单有效的方法制备出二氧化钛空心纳米微球结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化钛空心纳米结构及其制备方法，该方法能够解决二氧化钛空心纳米结构的形貌和尺寸分布的问题，制备得到的二氧化钛空心纳米结构粒度比较均匀，粒径分布范围在100~400nm之间。
上述目的是通过如下技术方案实现的：以氟钛酸铵（(NH4)2TiF6）为前躯体，以二氧化硅（SiO2）微球为模板，通过调节氟钛酸铵（(NH4)2TiF6）的浓度，水热时间和二氧化硅（SiO2）的尺寸来控制空心微球的尺寸以及壳的厚度，从而在相对低的温度条件下，大量合成尺寸和结构都具有高同向性的二氧化钛空心纳米结构。
具体地，包括如下步骤：
（1）将粒度分布均匀、平均粒径为85~95nm的二氧化硅颗粒加入氟钛酸铵（(NH4)2TiF6 ）水溶液中；二氧化硅与氟钛酸铵的物质的量之比为1:2-1:4；
（2）将上述溶液搅拌均匀，60-80℃保温6~24h； 
（3）将搅拌完成的产物用蒸馏水或乙醇清洗抽滤收集；
（4）将收集的产物干燥；
（5）将产物在450~550℃下煅烧2h，即得到二氧化钛空心纳米微球结构。
所述的氟钛酸铵（(NH4)2TiF6 ）水溶液的浓度为0.02~0.08mol/L。
本发明方法工艺简单，成本低廉，通过球形模板的限制作用来控制产物的形貌，从而在相对低的温度条件下，大量合成了尺寸和结构都具有高同向性的二氧化钛空心纳米结构，解决了以往合成二氧化钛微球过程中的尺寸分布范围过大、工艺复杂的问题，制备得到的二氧化钛空心纳米结构粒度均匀，平均粒径范围为100~400nm。
附图说明
图1 为本发明中所使用的二氧化硅模板球的扫描电镜图片；
图2 为实施例1的球形二氧化钛纳米空心结构的扫描电镜图片；
图3 为实施例1的球形二氧化钛纳米空心结构的x射线衍射图片；
图4 为实施例2的球形二氧化钛纳米空心结构的扫描电镜图片；
图5 为实施例3的球形二氧化钛纳米空心结构的扫描电镜图片；
图6 为实施例4的球形二氧化钛纳米空心结构的透射电镜图片。
具体实施方式
以下通过具体实施方式进一步描述本发明，由技术常识可知，本发明也可通过其它的不脱离本发明技术特征的方案来描述，因此所有在本发明范围内或等同本发明范围内的改变均被本发明包含。
实施例1：
将粒度分布均匀，平均粒径为85~95nm的二氧化硅（如图1）颗粒加入40ml 氟钛酸铵（(NH4)2TiF6 ）水溶液中，二氧化硅与氟钛酸铵的物质的量之比为1:2；将上述溶液在60℃的保温24h，将产物用蒸馏水或乙醇清洗抽滤收集，将产物在60℃的温度下干燥8h，然后再在450℃下煅烧2h即得到二氧化钛空心纳米微球结构。
对本实施例产物（二氧化钛空心纳米微球结构）进行电镜扫描以观察其微观形貌，结果如图2所示所得产物粒径约为100nm左右；对本实施例产物进XRD测试，结果与标准PDF卡片相对应，颗粒成分是纯的二氧化钛，如图3所示。
实施例2：
将粒度分布均匀，平均粒径为85~95nm的二氧化硅（如图1）颗粒加入40ml 氟钛酸铵（(NH4)2TiF6 ）水溶液中，二氧化硅与氟钛酸铵的物质的量之比为1:3；将上述溶液在80℃的条件下保温6h，将产物用蒸馏水或乙醇清洗抽滤收集，将产物在60℃的温度下干燥8h，然后再在500℃下煅烧2h即得到二氧化钛空心纳米微球结构。   
对本实施例产物（二氧化钛空心纳米微球结构）进行电镜扫描以观察其微观形貌，结果如图4所示所得产物粒径约为105nm左右。
实施例3：
将粒度分布均匀，平均粒径为85~95nm的二氧化硅（如图1）颗粒加入40ml 氟钛酸铵（(NH4)2TiF6 ）水溶液中，二氧化硅与氟钛酸铵的物质的量之比为1:4；将上述溶液在70℃的条件下下保温12h，将产物用蒸馏水或乙醇清洗抽滤收集，将产物在60℃的温度下干燥8h，然后再在550℃下煅烧2h即得到二氧化钛空心纳米微球结构。
对本实施例产物（二氧化钛空心纳米微球结构）进行扫描电镜测试以观察其微观形貌，结果如图5所示，所得产物粒径约为300nm左右的球型结构。
实施例4：
将粒度分布均匀，平均粒径为85~95nm的二氧化硅（如图1）颗粒加入40ml 氟钛酸铵（(NH4)2TiF6 ）水溶液中，二氧化硅与氟钛酸铵的物质的量之比为1:2；将上述溶液在70℃的条件下保温12h，将产物用蒸馏水或乙醇清洗抽滤收集，将产物在60℃的温度下干燥8h，然后再在500℃下煅烧2h即得到二氧化钛空心纳米微球结构。
对本实施例产物（二氧化钛空心纳米微球结构）进行透射电镜扫描以观察其微观形貌，结果如图6所示，所得产物粒径约为350nm左右的空心球型结构，壳层厚度约为100nm。

Claims (3)

1.一种二氧化钛空心纳米结构的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将粒度分布均匀、平均粒径为85~95nm的二氧化硅颗粒加入氟钛酸铵（(NH4)2TiF6 ）水溶液中；二氧化硅与氟钛酸铵的物质的量之比为1：2-1：4；
（2）将上述溶液搅拌均匀，60-80℃保温6~24h； 
（3）将搅拌完成的产物用蒸馏水或乙醇清洗抽滤收集；
（4）将收集的产物干燥；
（5）将产物在450~550℃下煅烧2h，即得到二氧化钛空心纳米微球结构。
2.如权利要求1所述的一种二氧化钛空心纳米结构的制备方法，其特征在于：所述的氟钛酸铵（(NH4)2TiF6 ）水溶液的浓度为0.02~0.08mol/L。
3.如权利要求1所述的一种二氧化钛空心纳米结构的制备方法，其特征在于：所述二氧化钛空心纳米微球的粒径分布范围在100~400nm之间。
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