[发明专利]控制纳米二氧化钛形貌和晶型转变的合成方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛材料的合成技术领域，具体涉及一种控制纳米二氧化钛形貌和晶型转变的合成方法。

背景技术

纳米二氧化钛是一种重要的无机功能性材料，因其具有光催化活性好、表面活性较高，耐候性和耐腐性良好，抗紫外线能力较强、环境友好、价格相对低廉及对人体无毒性等优点，被广泛应用于涂料、医药、化妆品、催化剂、感光材料、环保工程、食品包装和功能陶瓷等领域各个领域。纳米二氧化钛有三种常见的晶型分别是锐钛矿型(anatase)、板钛矿型(brookite)和金红石(rutile)型，其中锐钛矿型和板钛矿型属于热力学不稳定晶型，它们可以通过锻烧处理转变成为稳定相的金红石型纳米二氧化钛。目前，在基础和应用领域已对纳米二氧化钛做了大量研究，已合成出了多种具有独特形貌的TiO₂纳米结构，如纳米薄片、纳米棒、纳米管、纳米线、纳米小球、具有分层结构的TiO₂微球以及花式纳米TiO₂等。另外，也发展了许多不同的方法和技术来制备二氧化钛纳米材料，如溶胶凝胶法、水热法、溶剂热法、模板法、胶束和反胶束法、化学气相沉淀法、静电纺丝法以及电沉淀法等。

在溶剂热反应中可通过控制溶剂的理化性能、反应温度、反应时间、溶液pH值以及模板剂得到不同晶型、不同尺寸和不同形貌的无机材料。不同类型的胺作为溶剂常被来制备各种纳米材料，其中乙二胺已被证实具有结构定向协调分子模板(SCMT)的作用。虽然乙二胺作为SCMT已被广泛用于纳米无机材料的形貌控制中，但几乎没有报道过乙二胺对材料晶型控制的研究，尤其是对纳米二氧化钛形貌和晶型的控制。此外，氨基酸辅助合成纳米无机材料引起广泛关注，氨基酸的酸碱以及侧链基团可与反应体系中的金属离子相互作用形成前驱体或中间体，从而有效控制纳米材料的尺寸与形貌。本发明使用L-半胱氨酸做模板剂，其具有的特殊结构和显著的自组装功能，可有效的协助二氧化钛的形成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制纳米二氧化钛形貌和晶型转变的合成方法，本发明通过控制反应温度和是否添加有机溶剂无水乙二胺来控制二氧化钛形貌和晶型的转变，本发明为制备纳米二氧化钛提供了一种新颖的简便方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种控制纳米二氧化钛形貌和晶型转变的合成方法，包括以下步骤：

步骤一，将氨基酸模板剂溶于氨水中，获得模板剂溶液；

步骤二，在缓慢搅拌下，将所述模板剂溶液加入到混合溶剂中，获得清亮溶液，所述混合溶剂的组分和各组分的含量为：水1～3体积份，无水乙二胺0～3体积份；

步骤三，在快速搅拌下，向所述清亮溶液中加入钛酸正四丁酯，继续搅拌30min，获得反应液；

步骤四，将所述反应液转入聚四氟乙烯内衬内胆不锈钢反应釜中，溶剂热反应得到沉淀物；

步骤五，将所述沉淀物离心收集，并依次用蒸馏水、无水乙醇和蒸馏水清洗，并于60～80℃干燥10～12小时，得二氧化钛产物。

优选的，所述混合溶剂的组分和各组分的含量为：水1～3体积份，无水乙二胺1～3体积份；所述溶剂热反应的温度T为：120℃≤T≤170℃。

优选的，所述混合溶剂的组分和各组分的含量为：水1～3体积份，无水乙二胺1～3体积份；所述溶剂热反应的温度T为：180℃≤T≤270℃。

优选的，所述混合溶剂的组分和各组分的含量为：水3体积份，无水乙二胺0体积份；所述溶剂热反应的温度T为：120℃≤T≤170℃。

优选的，所述混合溶剂的组分和各组分的含量为：水3体积份，无水乙二胺0体积份；所述溶剂热反应的温度T为：180℃≤T≤270℃。

优选的，所述步骤一中，所述模板剂为L-半胱氨酸。

优选的，在所述氨水中，H₂O和NH₃·H₂O的体积比为5/1。

优选的，在所述步骤四中，所述热反应的反应时间为12～48小时。

与现有技术相比，本发明提供的控制纳米二氧化钛形貌及其晶型转变的合成方法，采用在水和乙二胺的二元溶剂体系中，添加L-半胱氨酸模板剂的溶剂热合成方法，通过控制反应体系的反应温度和有机溶剂无水乙二胺来实现控制纳米二氧化钛的形貌和晶型转变。

本发明的有益效果如下：

1.以常见的钛酸正四丁酯为钛源，采用氨基酸做模板剂的条件下制备二氧化钛，其操作方便、设备简单、成本低廉、无毒害无污染；