一种掺钛玻璃微球的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种掺钛玻璃微球及其制备方法和应用。本发明专利技术的掺钛玻璃微球及其制备方法能够生产具有光致释氢效应的掺钛玻璃微球，掺钛玻璃微球的组分为含二氧化钛的碱硼硅酸盐玻璃。本发明专利技术的制备方法是通过掺钛干凝胶粒子在立式高干凝胶炉内经吸热、封装、发泡、精炼、冷却等过程形成中空的玻璃微球。本发明专利技术的制备方法对组分限制小，并具有操作简便、产率和成品率高等优点。本发明专利技术的掺钛玻璃微球可以吸收可见光，在室温下经光照后形成气体分子的快速通道，从而实现球壳内氢气的可控释放。掺钛玻璃微球可应用于光致释氢，具有低能耗、高效、安全、可控的优点，在氢能源储存和运输方面有潜在的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种掺钛玻璃微球的制备方法
本专利技术属于氢能源储存领域，具体涉及一种掺钛玻璃微球及其制备方法和应用。
技术介绍
玻璃微球因具有高储能密度、安全、能经受多次加载和释放、低成本等优点，是一种很有应用前景的储氢容器。目前，制备玻璃微球的主要方法有火焰法、液滴法、Hoppe法等。火焰法的成球效率低，且成球质量较差，因而耐压强度不高。而液滴法需要玻璃形成物溶于水这一苛刻要求缩小了玻璃成分的可选择范围，从而限制了玻璃微球多种性能的提升。Hoppe法的工艺可控性差，产率和成品率很低，研发的技术难度大、成本高、周期长，所得玻璃微球的耐压强度也不高。玻璃微球目前主要通过传统的热扩散法进行充气和气体的释放，充放气过程中玻璃微球的球壳处于较大的张力状态，对玻璃微球耐压强度的要求很高，而且，每一轮充放气都要进行两次高温处理，降低了玻璃微球的循环使用寿命。此外，传统的热扩散法还存在危险性较大、能耗较高等不足之处。掺钛玻璃微球的壳层中含有特殊功能性离子，在光照条件下可以快速形成内外连通的气体扩散通道，实现室温下氢气的可控释放，该现象称为“光致释氢”效应。光致释氢避免了传统热扩散充气法中的诸多问题，具有低能耗、高效、安全、可控等优点。掺钛玻璃微球作为储氢容器，其耐压强度和保气时间能够满足用作储氢容器的所需。当前，关于具有光致释氢效应的掺钛玻璃微球及其制备方法和应用尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种掺钛玻璃微球的制备方法。一种掺钛玻璃微球的制备方法包括以下步骤：a.将掺钛干凝胶块倒入振动筛的玛瑙研钵中进行研磨，振动筛的振幅为1.0mm~1.1mm，振动时间间隔为0.1s~0.2s，振动时长为8min~10min；用孔径为250μm、200μm、160μm的筛子顺序对研磨后的掺钛干凝胶粒子进行筛分，振动筛的振幅为0.7mm~0.8mm，振动时间间隔为0.1s~0.2s，振动时长为6min~8min；将各粒径范围的掺钛干凝胶粒子分别密封于玻璃瓶中，储存在干燥环境下；b.取步骤a中所得的掺钛干凝胶粒子在100°C恒温干燥箱中干燥2h；c.向立式高温干凝胶炉中通入0.1atm~0.9atm导热气体，然后将炉内温度从室温升至1500°C~1600°C；d.将步骤b中的掺钛干凝胶粒子倒入立式高温干凝胶炉的进料口漏斗中，旋转漏斗底部螺杆进料；掺钛干凝胶粒子经过吸热、封装、发泡、精炼后制成熔融态的掺钛玻璃微球；熔融态的掺钛玻璃微球经冷却区固化、冷却后制成掺钛玻璃微球；在收集区的样品盘中收集掺钛玻璃微球，得到所需；所述的掺钛干凝胶块为制备掺钛玻璃微球的原料，掺钛干凝胶块组分如下：SiO2：摩尔百分数为61.2%~67.3%；B2O3：摩尔百分数为1.4%~1.6%；TiO2：摩尔百分数为3.4%~12.3%；Li2O：摩尔百分数为8.3%~9.1%；Na2O：摩尔百分数为14.4%~15.9%；K2O：摩尔百分数为2.4%~2.7%；上述组分之和为100%。所述的SiO2是正硅酸乙酯的水解、缩聚产物，B2O3是硼酸三丁酯的水解、缩聚产物，TiO2是钛酸四丁酯的水解、缩聚产物，Li2O、Na2O、K2O为醋酸盐的分解产物。氧化物的种类和含量由所需掺钛玻璃微球的耐压强度、保气时间以及光致释氢响应速率等性能所决定。步骤b中所述的掺钛干凝胶粒子的粒径范围为160μm~199μm或200μm~249μm。步骤c中所述的立式高温干凝胶炉的升温速率为10°C/min；所述的导热气体为氦气或氦氩混合气体，氦氩混合气体中氦气的分压大于等于50%。本专利技术的掺钛玻璃微球能够应用于氢能源运输和存储领域中氢气的可控快速释放，应用方法包括以下步骤：a.向掺钛玻璃微球充气：将掺钛玻璃微球置于充气装置中，向充气室内通入3.4MPa的氢气，充气室温度以10°C/min速率升至300°C，并保持12h；再将氢气气压增加至6.8MPa，保持12h；最后将氢气气压增加至10.0MPa，保持12h；然后自然冷却充气室温度至室温，取出充气后的掺钛玻璃微球；b.充气后的掺钛玻璃微球内气体的可控释放：将充气后的掺钛玻璃微球放置在四极质谱残余气体分析系统的样品室中，用光功率为0.18W~0.59W的连续谱光源透过样品室窗口照射充气后的掺钛玻璃微球，控制充气后的掺钛玻璃微球内的氢气释放。本专利技术的掺钛玻璃微球及其制备方法和应用具有如下优点：1.本专利技术以掺钛干凝胶粒子为原料制备掺钛玻璃微球，所制备的掺钛玻璃微球的球形度高，耐压强度较高，保气时间长。2.本专利技术在高温、惰性气氛、负压条件下制备掺钛浓度较高的玻璃微球，球壳内氧原子挥发，形成高浓度的氧空位和三价钛离子，外观显蓝色。较之无色掺钛玻璃微球，蓝色掺钛玻璃微球在吸收可见光后会形成气体分子的快速通道，实现对球内气体的可控快速释放。3.本专利技术的制备方法具有对组分限制小、工艺简单、成球效率高等优点。此外，还能够根据实际应用对TiO2在3.4%~12.3%摩尔浓度范围内进行调节，获得具有不同光照响应速率的掺钛玻璃微球。4.本专利技术所制备的掺钛玻璃微球应用于光致释氢，具有低能耗、高效、安全、可控的优点，在氢能源储存和运输方面有潜在的应用价值。具体实施方式下面结合实施例具体说明本专利技术。需要指出的是具体实施例仅用于对本专利技术进行进一步解释，并非对本专利技术的限制。该领域的技术熟练人员可以根据上述
技术实现思路
对本专利技术做出一些非本质的改进和调整，因此同等的技术方案也属于本专利技术的范畴。实施例1本实施例包括以下步骤：（1）采用8.3Li2O·14.4Na2O·2.4K2O·12.3TiO2·1.4B2O3·61.2SiO2(mol%)的掺钛干凝胶块为原料。取掺钛干凝胶块，在振动筛中研磨，振幅为1.0mm，时间间隔为0.2s，振动时长为8min。用孔径为250μm和200μm的筛子依次对研磨后的掺钛干凝胶粒子进行筛分，振幅为0.7mm，时间间隔为0.2s，振动时长为6min；（2）取步骤（1）中所得的粒径范围为200μm~249μm的掺钛干凝胶粒子在100°C干燥2小时；（3）向立式高温干凝胶炉内通入氦氩混合气体，总气压为0.9atm，其中，氦气的分压为50%；以10°C/min的速率炉内温度从室温升至1600°C。（4）取步骤（2）中所得掺钛干凝胶粒子从立式高温干凝胶炉进料口入料，从冷却区托盘收集冷却后的掺钛玻璃微球；（5）取步骤（4）中所得的掺钛玻璃微球置于充气装置中，向充气室内通入3.4MPa的氢气，充气室温度以10°C/min速率升温至300°C，并保持12h；再将氢气气压增加至6.8MPa，保持12h；最后将氢气气压增加至10.0MPa，保持12h；然后自然冷却充气室温度至室温，取出充气后的掺钛玻璃微球；将充气后的掺钛玻璃微球放置在四极质谱残余气体分析系统的样品室中，用光功率为0.18W的连续谱光源透过样品室窗口照射充气后的掺钛玻璃微球，球内氢气瞬时释放。制备的掺钛玻璃微球是蓝色透明的，几何参数测试显示，其直径为350μm~450μm，壁厚为3.0μm~7.0μm；耐压强度测试结果表明，掺钛玻璃微球的平均杨氏模量约为34GPa；气压跟踪表明，掺钛玻璃微球的气压半衰期为46天；四极质谱残余气体分析系统测试显示，掺钛玻璃微球一经光照立刻释放出氢气，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺钛玻璃微球，其特征在于，所述的掺钛玻璃微球的组分如下：SiO2 ： 摩尔百分数为61.2%~67.3%；B2O3： 摩尔百分数为1.4%~1.6%；TiO2： 摩尔百分数为3.4%~12.3%；Li2O： 摩尔百分数为8.3%~9.1%；Na2O：摩尔百分数为14.4%~15.9%；K2O： 摩尔百分数为2.4%~2.7%；上述组分之和为100%。

【技术特征摘要】
1.一种掺钛玻璃微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a.将掺钛干凝胶块倒入振动筛的玛瑙研钵中进行研磨，振动筛的振幅为1.0mm~1.1mm，振动时间间隔为0.1s~0.2s，振动时长为8min~10min；用孔径为250μm、200μm、160μm的筛子顺序对研磨后的掺钛干凝胶粒子进行筛分，振动筛的振幅为0.7mm~0.8mm，振动时间间隔为0.1s~0.2s，振动时长为6min~8min；将各粒径范围的掺钛干凝胶粒子分别密封于玻璃瓶中，储存在干燥环境下；b.取步骤a中所得的掺钛干凝胶粒子在100°C恒温干燥箱中干燥2h；c.向立式高温干凝胶炉中通入0.1atm~0.9atm导热气体，然后将炉内温度从室温升至1500°C~1600°C；d.将步骤b中的掺钛干凝胶粒子倒入立式高温干凝胶炉的进料口漏斗中，旋转漏斗底部螺杆进料；掺钛干凝胶粒子经过吸热、封装、发泡、精炼后制成熔融态的掺钛玻璃微...

【专利技术属性】
技术研发人员：李芳，李波，张占文，李婧，冯建鸿，刘梅芳，苏琳，黄勇，史瑞廷，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51