一种纳米TiO2单晶材料、制备方法及其用途技术

本发明专利技术属于无机纳米材料制备领域，涉及一种纳米TiO2单晶材料、制备方法及其用途。通过采用双层反应釜内胆进行水热反应，以油酸和油胺作为添加剂，并控制水醇溶液的组成及添加量，调节油酸和油胺的添加量，制备出尺寸大小均匀、结晶度好的锐钛矿型纳米TiO2单晶颗粒，其平均粒径为9nm、相对标准偏差在8％以下。本发明专利技术制备得到的纳米TiO2形貌规则、产品纯度高、且分散性好，具有较高的光催化活性，本发明专利技术纳米TiO2单晶材料的制备方法操作简单、环境友好，反应条件温和且能耗低，耗时短，易于推广使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料
，涉及一种纳米TiO2单晶材料、制备方法及其用途，尤其涉及一种具有高度均一粒度的纳米TiO2单晶材料、制备方法，以及其在光催化领域的用途。
技术介绍
TiO2以其优异的物化性能被广泛应用于颜料、涂料、油墨、化妆品和环境污染治理等传统工业领域。特别是其优异的光催化与光电性能，使TiO2在光催化和太阳能电池等新兴产业中也获得了大量的应用。TiO2的这些应用与其自身的形貌、尺寸和晶体结构等有着密切的联系。TiO2有板钛矿、锐钛矿和金红石三种常见的晶型，其中锐钛矿TiO2在光催化和太阳能电池等方面表现出优异的性能。尺寸小的TiO2具有较大的比表面积，高比表面积有助于提高对光的吸收和折射率，有利于反应物在表面的吸附，使TiO2具有更高的光催化活性；为保证TiO2在持续的研究与应用中的性能稳定，合成的TiO2材料应具有晶体结构，且颗粒尺度应保持均一；同时，粒度分布均一的纳米TiO2在计量和标准化领域具有非常重要的应用。因此，制备粒度均一的锐钛矿晶型纳米TiO2材料具有重要的意义。目前，纳米TiO2材料的制备方法主要有化学水解法、水热法、醇解法、沉淀法、溶胶-凝胶法及微乳液法等，其中，水热法是一种常用方法。水热法是在高压釜反应器里，采用水溶液作为反应介质，通过反应容器加热，创造一个高温高压反应环境，使前驱体反应。水热法能直接制得结晶良好的粉体，不需做高温处理，避免了在此过程中可能形成的粉体硬团聚，而且通过改变工艺条件，可实现对粉体粒径、晶型等特性的控制，同时，制得的粉体纯度高。CN103964502A公开了一种纳米TiO2单晶材料及其制备方法和用途，其利用溶胶凝胶与水热合成法联合，先在室温搅拌得到凝胶，再将对凝胶离心得到的白色沉淀分散到水醇体系中120～150℃水热，得到粒径在10～15nm的纳米TiO2材料，但是通过该方法制备纳米TiO2需要首先将钛酸酯滴加到水和无水乙醇的体系中，静置至形成凝胶，此静置过程时间长，耗时长不利于大规模推广。因此，有必要研究一种省时、简便地制备纳米TiO2材料的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种粒径为9nm，相对标准偏差在8％以下，粒度分布均一的锐钛矿型纳米TiO2单晶材料、制备方法及其用途。第一方面，本专利技术提供一种纳米TiO2单晶材料，所述纳米TiO2材料为锐钛矿型TiO2，粒度分布均一，平均粒径为9nm，相对标准偏差在8％以下，相对标准偏差例如可为8％、7.5％、7％、6.5％、6％、5％、4％、3％、2.8％、2％、1％或0等，通过此表述可知，本专利技术的纳米TiO2的粒径在9×(1-8％)＝8.28nm到9×(1+8％)＝9.72nm之间，任何其他表述但实际粒径落在8.28nm到9.72nm之间的，也属于本专利技术的保护范围。举例说明：粒径为8.9nm，相对标准偏差为6.8％，其代表的粒径范围实际上为8.2948nm到9.5052nm，落在了本专利技术所述的8.28nm到9.72nm的范围之内，因而也属于本专利技术的保护范围。第二方面，本专利技术提供一种制备第一方面所述的纳米TiO2单晶材料的方法，包括以下步骤：(1)将2体积份的去离子水与18体积份的乙醇混合，搅匀，得到水醇溶液，转入内胆中，水醇溶液占反应釜内胆体积的20％；(2)将1.8体积份的钛酸丁酯加入到由8.5体积份的油酸、6～8体积份的油胺和6体积份的乙醇组成的混合体系中，得到混合溶液，转入内胆中；(3)将步骤(2)所述内胆套入步骤(1)所述内胆中，其中，步骤(2)所述内胆的体积与步骤(1)所述内胆的体积的比为2:5，进行水热反应，得到纳米TiO2单晶材料。本专利技术采用双层反应釜内胆进行水热反应，以油酸和油胺作为添加剂，并控制水醇溶液的组成及添加量，调节油酸和油胺的添加量，调控纳米TiO2材料的形貌及尺寸。不饱和脂肪酸油酸及不饱和胺油胺在水热反应中可以降低钛酸丁酯的水解速率，进而影响纳米TiO2的粒径，同时，本专利技术采用双层反应釜内胆进行水热反应，外层的反应釜内胆中的水醇溶液在水热反应过程中制造水醇蒸汽的反应环境，同样可以调节钛酸丁酯的水解速率和调控生成的纳米TiO2的粒径。本专利技术所述乙醇为无水乙醇。本专利技术所述内胆为反应釜内胆，优选为聚四氟乙烯内胆。优选地，步骤(2)中油胺的用量为6～8体积份，例如可为6体积份、6.2体积份、6.5体积份、6.7体积份、7体积份、7.3体积份、7.6体积份、7.8体积份或8体积份等，优选为6.5～7体积份。本专利技术中，步骤(2)所述内胆的体积与步骤(1)所述内胆的体积的比为2:5，举例说明，步骤(2)所述内胆的体积为40mL，且步骤(1)所述内胆的体积为100mL。或者步骤(2)所述内胆的体积为200mL，且步骤(1)所述内胆的体积为500mL。本专利技术中步骤(2)所述内胆和步骤(1)所述内胆的体积无具体限定，只要能满足步骤(2)所述内胆的体积与步骤(1)所述内胆的体积的比为2:5即可，本领域技术人员可以根据需要进行选择，并配合地确定步骤(1)中水醇溶液的用量以及步骤(2)中各组分的用量，“配合地”是指步骤(1)所述内胆的体积确定后，水醇溶液的用量按照水醇溶液占步骤(1)所述内胆体积的14～26％的标准来使用，相反的，水醇溶液的用量确定以后也要按照同样的标准来选择步骤(1)所述内胆的体积。优选地，步骤(3)所述水热反应的时间为4～18h，例如可为4h、4.5h、4.8h、5h、5.6h、6h、7h、8h、8.5h、9h、10h、11h、11.5h、12h、13h、14h、14.5h、15h、16h、17h或18h等。优选地，水热反应的温度为180～200℃，例如可为180℃、185℃、188℃、190℃、195℃或200℃等。优选地，所述方法还包括在反应结束后依次进行步骤(4)和步骤(5)，其中，步骤(4)为：将步骤(3)水热反应得到的白色乳浊液离心，将离心得到的沉淀分散在环己烷中回流；步骤(5)为：洗涤步骤(4)得到的沉淀物，并冷冻干燥。优选地，将离心得到的沉淀分散在50体积份的环己烷中回流，回流的温度优选为60～80℃，例如可为60℃、62℃、65℃、70℃、75℃、78℃或80℃等，回流的时间优选为2～4h，回流的时间例如可为2h、2.5h、3h、3.2h或4h等。本专利技术将离心得到的沉淀分散到环己烷中回流的目的是去除未反应的油酸和油胺，因为不饱和脂肪酸油酸以及不饱和胺油胺作为长链的高分子物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米TiO2单晶材料，其特征在于，所述纳米TiO2单晶材料粒度分布均一，平均粒径为9nm，相对标准偏差在8％以下。

【技术特征摘要】
1.一种纳米TiO2单晶材料，其特征在于，所述纳米TiO2单晶材料粒度分
布均一，平均粒径为9nm，相对标准偏差在8％以下。
2.一种如权利要求1所述纳米TiO2单晶材料的制备方法，其特征在于，
所述方法包括以下步骤：
(1)将2体积份的去离子水与18体积份的乙醇混合，搅匀，得到水醇溶
液，转入内胆中，水醇溶液占反应釜内胆体积的20％；
(2)将1.8体积份的钛酸丁酯加入到由8.5体积份的油酸、6～8体积份的
油胺和6体积份的乙醇组成的混合体系中，得到混合溶液，转入内胆中；
(3)将步骤(2)所述内胆套入步骤(1)所述内胆中，其中，步骤(2)
所述内胆的体积与步骤(1)所述内胆的体积的比为2:5，进行水热反应，得到
纳米TiO2单晶材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中油胺用量优选
为6.5～7体积份。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中水热反应
的时间为4～18小时；
优选的，水热反应的温度为180～200℃。
5.根据权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在
反应结束后依次进行步骤(4)和步骤(5)，其中，步骤(4)为：将步骤(3)
水热反应得到的产物离心，将离心得到的沉淀分散在环己烷中回流；步骤(5)
为洗涤步骤(4)得到的沉淀物，并冷冻干燥。
6.根据权利要求2-5...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴玲钰，吴志娇，司月雷，张驰，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11