[发明专利]多种规则几何形状TiO2纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化钛纳米材料及其制备方法，特别涉及多种规则几何形状TiO₂纳米材料及其制备方法。

背景技术

二氧化钛是一种安全无毒、化学性质稳定、低成本的半导体氧化物，在化妆品、纺织、涂料、橡胶、印刷、光催化、污水处理和太阳能电池等领域有着广泛的应用。

目前制备二氧化钛的方法主要有：磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、水热法等。磁控溅射法、化学气相沉积法，通常需要高真空及大型设备，投入大，生产成本高。溶胶-凝胶法采用四氯化钛或者钛酸四丁酯水解来制备溶胶，由于水解较为剧烈，反应过程难以控制。水热法设备简单，反应与外界隔绝，制备得到的二氧化钛纯净、结晶较好、形貌可控，而成为广受关注的制备二氧化钛的方法。

水热实验制备二氧化钛，往往以四氯化钛或者钛酸四丁酯作为原料，上述化学物质化学性质活泼，水解剧烈，较难控制反应速度。也有研究者采用二氧化钛粉末作为原料制备纳米二氧化钛，但这样得到的二氧化钛形貌比较简单，主要以一维纳米线和纳米管为主。

中国专利[公开号：101215000]，以工业钛液为原料，将原料放入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在140～220℃下水热反应4～24h，冷却后洗涤、过滤、干燥即可获得二氧化钛空心微球。工业钛液的主要成分为TiOSO₄，通过水热反应后的TiO₂为空心微球结构。

专利CN1807258-A以钛板为原料，先将钛板在氢氟酸、硝酸与去离子水的混合洗液中清洗；再将钛板在双氧水、硝酸和四氮六甲圜的混合溶液中，在60～80℃下反应48小时以上；反应后的钛片用去离子水清洗，干燥，在300～500℃保温至少10分钟，制备得三维纳米花结构二氧化钛。以钛板为原料，酸清洗时会引起钛原料的流失，增加了成本；反应时需加入有机物，反应时间长，且需要后续的高温处理。

文献[Materials Letters，2008，62，1819-1822]中以1g钛粉与10M氢氧化钠溶液混合，在130℃下进行水热反应24小时，再经过400℃烧结2小时，制备得TiO₂纳米管。以钛粉直接与氢氧化钠溶液混合，在较低的温度下进行水热反应，得到的产物为TiO₂纳米管。

发明内容

本发明的目的在于提供多种规则几何形状TiO₂纳米材料及其制备方法。本发明以纯钛材料为原料，没有有机物参与，而能多种规则几何形状TiO₂纳米材料。本制备方法过程简单、可控，反应温和，充分利用反应原料，不会产生有害气体。

本发明制备的TiO₂纳米材料为规则球状或立方体状TiO₂纳米材料；所述的球状TiO₂纳米材料具有规则的球状形貌，直径为0.5微米～10微米；所述的立方体状TiO₂纳米材料具有规则的立方体状形貌，各边长为50～500纳米。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明制备方法包括以下步骤：

(1)称量纯钛材料0.01g～100g，放入40～1000ml盐酸与氢氟酸或者硝酸与氢氟酸的混合溶液中，常温下反应5～100分钟。氢氟酸摩尔浓度为0.001mol/L～10mol/L，盐酸或者硝酸与氢氟酸摩尔浓度之比为0：1～100：1；

(2)量取步骤(1)所制得的含钛溶液，放入水热釜中，在100℃～200℃反应1小时～20小时；

(3)反应完毕后，高纯水冲洗，直至步骤(2)所得产物的PH值达到7；然后置于50～100℃的烘箱中5-24小时烘干。

至此本发明多种规则几何形状TiO2纳米材料制备完毕。

本发明涉及到的化学反应为：

钛先与氢氟酸反应生成四氟化钛，

Ti+4HF→TiF₄+2H₂↑

TiF₄水解生成TiO₂。方程式为：

TiF₄+2H2O→TiO₂+4HF

总的反应方程式为：

Ti+2H₂O→TiO₂+4H₂↑

附图说明

图1为本发明之实施例1所制得的球状TiO₂纳米材料的低倍扫描电镜图片；