一种微波合成二维二氧化钛纳米带的制备方法
一种微波合成二维二氧化钛纳米带的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米技术领域，具体为一种在常压和微波条件下合成二维二氧化钛纳米带的方法。
【背景技术】
[0002]自20世纪80年代以来，纳米材料由于其独特的表面效应、小尺寸效应和宏观隧道效应，因而展现出许多特有的物理和化学性质。纳米氧化钛具有优良的化学稳定性、热稳定性、无毒、耐候性等，因此被广泛的应用于涂料、陶瓷、环保、化妆品、工业催化、锂离子电池以及太阳能电池等各个领域。
[0003]二维结构纳米材料由于其独特的形貌结构，较大的比表面积，具有较强的催化性能、光伏性能和电化学性能。在光催化方面，二维纳米带结构材料由于其具有高的比表面积，从而提供更多的表面反应活性位点和更高的表面载流子的迀移率，同时降低了光生电子与空穴的复合几率，从而提高光催化效率。在电化学性能方面，纳米结构材料能够有效缩短锂离子在固相中的扩散距离，同时增加电极和电解质之间的接触面积进而增加反应的活性区域，同时二维纳米带结构材料拥有足够大的外表面空间，能有效缓解电化学反应过程中的体积膨胀，进而可以增加电极材料的长期循环稳定性。在光电化学方面，二维氧化钛纳米带可用于染料敏化太阳能电池的电极，二维结构材料能够吸附更多的染料分子，提高电池的效率。
[0004]寻找开发一种简单大规模制备二维二氧化钛纳米带的方法就成了氧化钛应用中亟待解决的问题。制备二维二氧化钛纳米带的主要方法是溶剂热法。利用商品化的氧化钛粉体与较高浓度的碱溶液，在200°C左右的高温条件下进行反应，然后利用强酸离子交换，最后通过热处理获得氧化钛纳米带(Adv.Funct.Mater., 2008, 18:1131)。这种方法通常需要较长的时间，较高的压力，同时产量低，不利于大规模生产。微波辅助合成方法是一种新兴、简单、环保的材料合成方法。利用微波快速选择性均匀加热，能够合成出高质量纳米结构材料，同时本方法的原料易得，工艺简单，适合工业化生产。据申请人所知，迄今为止未见报道过利用微波辅助合成二维二氧化钛纳米带的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种简单的基于微波辅助加热合成二维二氧化钛纳米带的制备方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用钛盐为钛源，多元醇为模板剂和导向剂，采用微波辅助合成法，制备出形貌、尺寸均匀的二维氧化钛纳米带。
[0007]本发明提出的一种微波合成二维二氧化钛纳米带的制备方法，具体步骤如下；
[0008](I)将一定质量的钛源化合物溶于一定体积的多元醇中，磁力搅拌一定时间形成澄清溶液，然后按照多元醇与水体积比为(0.5?10):1逐滴加入一定量的水，继续搅拌一定时间，形成澄清溶液。
[0009](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为100?1300W，在微波辐照下冷凝回流0.5?180分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0010](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中300?800°C下热处理
0.5?6小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0011]以上所述的钛源化合物为钛酸四丁酯，钛酸异丙酯，钛酸乙酯，四氯化钛，三氯化钛中的一种或几种；多元醇为乙二醇，丙二醇，丙三醇，三缩四乙二醇，季戊四醇，新戊二醇，二缩二乙二醇中的一种或两种混合溶剂。
[0012]根据本发明基于微波辅助合成二维二氧化钛纳米带，制备工艺简单，原料易得，反应条件温和，最终得到的产物形貌和尺寸均匀，结晶度好，整个反应过程不需要特殊设备，利于大规模制备生产。
【附图说明】
[0013]图1为实施例1所制备的二维二氧化钛纳米带的X-射线衍射图谱；
[0014]图2为实施例2所制备的二维二氧化钛纳米带的扫描电子显微镜图；
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图对本发明作详细描述，有助于理解本发明，但这些实例不得用于解释对本发明保护范围的限制。
[0016]实施例1
[0017](I)将一定质量的钛酸四丁酯溶于一定体积的乙二醇和季戊四醇的混合溶剂中，磁力搅拌4分钟形成澄清溶液，然后按照乙二醇和季戊四醇混合溶剂总体积与水体积比为
0.5:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌6分钟，形成澄清溶液。
[0018](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为1300W，在微波辐照下冷凝回流0.5分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0019](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中400°C下热处理3.5小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0020](4)按照实施例1所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度大约为30nm。
[0021]图1为本实施例所制得的二维二氧化钛纳米带的X射线衍射图谱，从图中可以看出所获得的材料为纯锐钛矿相，没有其它相与其它杂质出现，并且材料的结晶良好。
[0022]实施例2
[0023](I)将一定质量的三氯化钛与钛酸异丙酯溶于一定体积的新戊二醇和二缩二乙二醇的混合溶剂中，磁力搅拌5分钟形成澄清溶液，然后按照新戊二醇和二缩二乙二醇混合溶剂总体积与水体积比为6:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌8分钟，形成澄清溶液。
[0024](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为500W，在微波辐照下冷凝回流90分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0025](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中500°C下热处理5小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0026]图2是二维二氧化钛纳米带的扫描电子显微镜图片，从图中可见，二氧化钛形貌与尺寸较均勾，单层厚度大约20nm。
[0027]实施例3
[0028](I)将一定质量的四氯化钛溶于一定体积的丙三醇和三缩四乙二醇的混合溶剂中，磁力搅拌3分钟形成澄清溶液，然后按照丙三醇和三缩四乙二醇混合溶剂总体积与水体积比为10:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌10分钟，形成澄清溶液。
[0029](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为100W，在微波辐照下冷凝回流180分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0030](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中300°C下热处理6小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0031](4)按照实施例3所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度大约为45nm。
[0032]实施例4
[0033](I)将一定质量的钛酸乙酯溶于一定体积的季戊四醇溶剂中，磁力搅拌10分钟形成澄清溶液，然后按照季戊四醇体积与水体积比为4:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌8分钟，形成澄清溶液。
[0034](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为900W，在微波辐照下冷凝回流10分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0035](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中600°C下热处理2.5小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0036](4)按照实施例4所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度为35nm。
[0037]实施例5
[0038](I)将一定质量的钛酸四丁酯与三氯化钛溶于一定体积的乙二醇和新戊二醇混合溶剂中，磁力搅拌6分钟形成澄清溶液，然后按照乙二醇和新戊二醇混合溶剂总体积与水体积比为5.5:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌5分钟，形成澄清溶液。
[0039](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为200W，在微波辐照下冷凝回流150分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0040](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中450°C下热处理4小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0041](4)按照实施例5所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度为30nm。
[0042]实施例6
[0043](I)将一定质量的钛酸乙酯与四氯化钛溶于一定体积的丙二醇溶剂中，磁力搅拌4分钟形成澄清溶液，然后按照丙二醇溶剂体积与水体积比为7.5:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌5分钟，形成澄清溶液。
[0044](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为800W，在微波辐照下冷凝回流25分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0045](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中800°C下热处理I小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0046](4)按照实施例6所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度为40nm。
【主权项】
1.一种微波合成二氧化钛纳米带的制备方法，包括如下步骤: (1)将一定质量的钛源化合物溶于一定体积的多元醇中，磁力搅拌一定时间形成澄清溶液，然后按照多元醇与水体积比为(0.5?10):1逐滴加入一定量的水，继续搅拌一定时间，形成澄清溶液。 (2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为100?1300W，在微波辐照下冷凝回流0.5?180分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。 (3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中300?800°C下热处理0.5?6小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述钛源化合物为钛酸四丁酯，钛酸异丙酯，钛酸乙酯，四氯化钛，三氯化钛中的一种或几种。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述多元醇为乙二醇，丙二醇，丙三醇，三缩四乙二醇，季戊四醇，新戊二醇，二缩二乙二醇中的一种或两种混合溶剂。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述的微波辐照合成条件为，微波功率为100?1300W，冷凝回流时间0.5?180分钟。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述低温热处理温度为300?800°C;热处理时间为0.5?6小时。
【专利摘要】本发明公开了一种二氧化钛纳米带的制备方法。将钛源化合物溶于多元醇中搅拌形成澄清溶液后，加入水后继续搅拌形成澄清溶液，然后进行微波反应。多元醇作为模板剂与导向剂，借助微波辐照诱导使得钛源化合物在水中发生水解，生成二氧化钛前驱体，再进行低温处理得到二氧化钛纳米带。本发明采用微波辅助合成二氧化钛纳米带，制备工艺简单，成本低廉，反应条件温和，整个反应过程不需要特殊设备，利于工业化生产。制备的二氧化钛纳米带，形貌和尺寸均匀，单层平均厚度约为20nm。
【IPC分类】C01G23/053, B82Y30/00
【公开号】CN104891568
【申请号】CN201510367741
【发明人】曹传宝, 王琳
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月29日
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米技术领域，具体为一种在常压和微波条件下合成二维二氧化钛纳米带的方法。
【背景技术】
[0002]自20世纪80年代以来，纳米材料由于其独特的表面效应、小尺寸效应和宏观隧道效应，因而展现出许多特有的物理和化学性质。纳米氧化钛具有优良的化学稳定性、热稳定性、无毒、耐候性等，因此被广泛的应用于涂料、陶瓷、环保、化妆品、工业催化、锂离子电池以及太阳能电池等各个领域。
[0003]二维结构纳米材料由于其独特的形貌结构，较大的比表面积，具有较强的催化性能、光伏性能和电化学性能。在光催化方面，二维纳米带结构材料由于其具有高的比表面积，从而提供更多的表面反应活性位点和更高的表面载流子的迀移率，同时降低了光生电子与空穴的复合几率，从而提高光催化效率。在电化学性能方面，纳米结构材料能够有效缩短锂离子在固相中的扩散距离，同时增加电极和电解质之间的接触面积进而增加反应的活性区域，同时二维纳米带结构材料拥有足够大的外表面空间，能有效缓解电化学反应过程中的体积膨胀，进而可以增加电极材料的长期循环稳定性。在光电化学方面，二维氧化钛纳米带可用于染料敏化太阳能电池的电极，二维结构材料能够吸附更多的染料分子，提高电池的效率。
[0004]寻找开发一种简单大规模制备二维二氧化钛纳米带的方法就成了氧化钛应用中亟待解决的问题。制备二维二氧化钛纳米带的主要方法是溶剂热法。利用商品化的氧化钛粉体与较高浓度的碱溶液，在200°C左右的高温条件下进行反应，然后利用强酸离子交换，最后通过热处理获得氧化钛纳米带(Adv.Funct.Mater., 2008, 18:1131)。这种方法通常需要较长的时间，较高的压力，同时产量低，不利于大规模生产。微波辅助合成方法是一种新兴、简单、环保的材料合成方法。利用微波快速选择性均匀加热，能够合成出高质量纳米结构材料，同时本方法的原料易得，工艺简单，适合工业化生产。据申请人所知，迄今为止未见报道过利用微波辅助合成二维二氧化钛纳米带的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种简单的基于微波辅助加热合成二维二氧化钛纳米带的制备方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用钛盐为钛源，多元醇为模板剂和导向剂，采用微波辅助合成法，制备出形貌、尺寸均匀的二维氧化钛纳米带。
[0007]本发明提出的一种微波合成二维二氧化钛纳米带的制备方法，具体步骤如下；
[0008](I)将一定质量的钛源化合物溶于一定体积的多元醇中，磁力搅拌一定时间形成澄清溶液，然后按照多元醇与水体积比为(0.5?10):1逐滴加入一定量的水，继续搅拌一定时间，形成澄清溶液。
[0009](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为100?1300W，在微波辐照下冷凝回流0.5?180分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0010](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中300?800°C下热处理
0.5?6小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0011]以上所述的钛源化合物为钛酸四丁酯，钛酸异丙酯，钛酸乙酯，四氯化钛，三氯化钛中的一种或几种；多元醇为乙二醇，丙二醇，丙三醇，三缩四乙二醇，季戊四醇，新戊二醇，二缩二乙二醇中的一种或两种混合溶剂。
[0012]根据本发明基于微波辅助合成二维二氧化钛纳米带，制备工艺简单，原料易得，反应条件温和，最终得到的产物形貌和尺寸均匀，结晶度好，整个反应过程不需要特殊设备，利于大规模制备生产。
【附图说明】
[0013]图1为实施例1所制备的二维二氧化钛纳米带的X-射线衍射图谱；
[0014]图2为实施例2所制备的二维二氧化钛纳米带的扫描电子显微镜图；
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图对本发明作详细描述，有助于理解本发明，但这些实例不得用于解释对本发明保护范围的限制。
[0016]实施例1
[0017](I)将一定质量的钛酸四丁酯溶于一定体积的乙二醇和季戊四醇的混合溶剂中，磁力搅拌4分钟形成澄清溶液，然后按照乙二醇和季戊四醇混合溶剂总体积与水体积比为
0.5:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌6分钟，形成澄清溶液。
[0018](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为1300W，在微波辐照下冷凝回流0.5分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0019](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中400°C下热处理3.5小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0020](4)按照实施例1所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度大约为30nm。
[0021]图1为本实施例所制得的二维二氧化钛纳米带的X射线衍射图谱，从图中可以看出所获得的材料为纯锐钛矿相，没有其它相与其它杂质出现，并且材料的结晶良好。
[0022]实施例2
[0023](I)将一定质量的三氯化钛与钛酸异丙酯溶于一定体积的新戊二醇和二缩二乙二醇的混合溶剂中，磁力搅拌5分钟形成澄清溶液，然后按照新戊二醇和二缩二乙二醇混合溶剂总体积与水体积比为6:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌8分钟，形成澄清溶液。
[0024](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为500W，在微波辐照下冷凝回流90分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0025](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中500°C下热处理5小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0026]图2是二维二氧化钛纳米带的扫描电子显微镜图片，从图中可见，二氧化钛形貌与尺寸较均勾，单层厚度大约20nm。
[0027]实施例3
[0028](I)将一定质量的四氯化钛溶于一定体积的丙三醇和三缩四乙二醇的混合溶剂中，磁力搅拌3分钟形成澄清溶液，然后按照丙三醇和三缩四乙二醇混合溶剂总体积与水体积比为10:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌10分钟，形成澄清溶液。
[0029](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为100W，在微波辐照下冷凝回流180分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0030](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中300°C下热处理6小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0031](4)按照实施例3所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度大约为45nm。
[0032]实施例4
[0033](I)将一定质量的钛酸乙酯溶于一定体积的季戊四醇溶剂中，磁力搅拌10分钟形成澄清溶液，然后按照季戊四醇体积与水体积比为4:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌8分钟，形成澄清溶液。
[0034](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为900W，在微波辐照下冷凝回流10分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0035](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中600°C下热处理2.5小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0036](4)按照实施例4所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度为35nm。
[0037]实施例5
[0038](I)将一定质量的钛酸四丁酯与三氯化钛溶于一定体积的乙二醇和新戊二醇混合溶剂中，磁力搅拌6分钟形成澄清溶液，然后按照乙二醇和新戊二醇混合溶剂总体积与水体积比为5.5:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌5分钟，形成澄清溶液。
[0039](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为200W，在微波辐照下冷凝回流150分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0040](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中450°C下热处理4小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0041](4)按照实施例5所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度为30nm。
[0042]实施例6
[0043](I)将一定质量的钛酸乙酯与四氯化钛溶于一定体积的丙二醇溶剂中，磁力搅拌4分钟形成澄清溶液，然后按照丙二醇溶剂体积与水体积比为7.5:1逐滴加入一定量的水，继续搅拌5分钟，形成澄清溶液。
[0044](2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为800W，在微波辐照下冷凝回流25分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。
[0045](3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中800°C下热处理I小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。
[0046](4)按照实施例6所获得的二维二氧化钛纳米带单层厚度为40nm。
【主权项】
1.一种微波合成二氧化钛纳米带的制备方法，包括如下步骤: (1)将一定质量的钛源化合物溶于一定体积的多元醇中，磁力搅拌一定时间形成澄清溶液，然后按照多元醇与水体积比为(0.5?10):1逐滴加入一定量的水，继续搅拌一定时间，形成澄清溶液。 (2)将上述混合溶液转移到微波反应容器中，设定功率为100?1300W，在微波辐照下冷凝回流0.5?180分钟，待反应结束后，自然冷却至室温，离心洗涤分离冷却干燥后得到二氧化钛前驱体纳米材料。 (3)将上步得到的二氧化钛前驱体纳米材料放入高温炉中300?800°C下热处理0.5?6小时后，自然冷却到室温后便得到二氧化钛纳米带。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述钛源化合物为钛酸四丁酯，钛酸异丙酯，钛酸乙酯，四氯化钛，三氯化钛中的一种或几种。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述多元醇为乙二醇，丙二醇，丙三醇，三缩四乙二醇，季戊四醇，新戊二醇，二缩二乙二醇中的一种或两种混合溶剂。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述的微波辐照合成条件为，微波功率为100?1300W，冷凝回流时间0.5?180分钟。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述低温热处理温度为300?800°C;热处理时间为0.5?6小时。
【专利摘要】本发明公开了一种二氧化钛纳米带的制备方法。将钛源化合物溶于多元醇中搅拌形成澄清溶液后，加入水后继续搅拌形成澄清溶液，然后进行微波反应。多元醇作为模板剂与导向剂，借助微波辐照诱导使得钛源化合物在水中发生水解，生成二氧化钛前驱体，再进行低温处理得到二氧化钛纳米带。本发明采用微波辅助合成二氧化钛纳米带，制备工艺简单，成本低廉，反应条件温和，整个反应过程不需要特殊设备，利于工业化生产。制备的二氧化钛纳米带，形貌和尺寸均匀，单层平均厚度约为20nm。
【IPC分类】C01G23/053, B82Y30/00
【公开号】CN104891568
【申请号】CN201510367741
【发明人】曹传宝, 王琳
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月29日
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