[发明专利]用于制备氧化钛衍生物的方法

说明书

公开了用于使用新型硫酸方法制备氧化钛衍生物的方法，其中通过在水解、和氧化钛衍生物晶体或积聚物的形成和处理的步骤中控制压力和温度来调节纳米颗粒晶体或积聚物的尺寸或表面积，可以获得具有期望的尺寸和表面积的氧化钛衍生物，如偏钛酸或二氧化钛，其水合物或材料化学可形成的纳米颗粒。本发明提供了用于使用硫酸方法制备氧化钛衍生物的方法，其中通过使钛铁矿溶解于硫酸中而产生的硫酸氧钛(TiOSO₄)的溶液经受水解和煅烧以制备氧化钛衍生物，其中所述水解包括施加高于外部大气压力的压力的步骤。

技术领域

本发明涉及用于制备氧化钛衍生物的方法，且更具体地，涉及用于使用硫酸法通过硫酸氧钛溶液的水解和煅烧过程制备氧化钛衍生物如纳米级二氧化钛的方法。

背景技术

二氧化钛纳米颗粒不仅用作白色染料等的原料，而且作为原材料应用于各种产品，如化学催化剂、电化学和光化学工业中使用的催化剂、光催化剂、气体传感器、光电导体、太阳能电池、防晒剂和覆盖材料等。例如，二氧化钛具有与氧的合适结合强度和优异的耐酸性，因此用作氧化还原催化剂或载体。此外，二氧化钛具有高的UV阻隔性能，因此用作化妆品的原料或作为塑料表面涂料，并还用于制备抗微生物剂、防污剂和亲水性涂料等。

二氧化钛在工业上使用硫酸法制备，其包括用硫酸处理作为原料的钛铁矿或氯法制备，其包括在还原剂(通常是碳)的存在下用氯或氯化氢处理作为原料的金红石矿物。在硫酸法中，将钛铁矿溶解于硫酸中，并在从溶液中除去铁离子后，进行干燥和煅烧。制备的二氧化钛主要具有锐钛矿晶形，并且残留在表面上的硫酸根离子和杂质会影响二氧化钛，因此已知为降低最终制备的产物的反应性和质量的因素。相反，在其中通过氧化中间产物的四氯化钛(TiCl₄)来制备二氧化钛的氯法中，会获得几乎均匀的粒度分布，并且也包含微量的硅(Si)和铝(Al)，但具有单一结构的二氧化钛的纯度已知并不高(Bang Jin Jang，Kyonggi University Department of Environmental Engineering，MS Thesis，2008，pp.60-62)。

各种二氧化钛晶体结构(晶体类型或结构类型)是已知的，如锐钛矿型，金红石型和板钛矿型二氧化钛，并且二氧化钛的用途和性能根据晶体惯态、形状和颗粒的尺寸变化很大。具体地，已知晶体形状和粒径对物理化学、机械、电学、磁学和光学性质都具有显著影响(X.Chen，SSMao，J.Noosci.Niotechnol.，2006，6，906-925)。例如，据报道，锐钛矿型晶体形式的二氧化钛具有最佳的光催化活性和选择性催化还原(SCR)反应性，并且已知具有小而均匀的粒径，良好受控的聚集体状态和由增加的比表面积改进的催化活性(Bang JinJang,Kyonggi University Department of Environmental Engineering,M.S.Thesis,2008,pp.60-62)。

然而，已知由于二氧化钛前体的快速反应性，制备具有受控尺寸、分布或比表面积的纳米颗粒是不容易的。由于快速的反应性，使用典型方法制备的二氧化钛颗粒会形成聚集的晶体的粒状形式，而不是单独的结晶颗粒形式，并且由于粒状形式，会指出具有远大于实际颗粒尺寸的颗粒尺寸。因此，通过x射线衍射(XRD)分析测量的粒径，而不是制备的粒料的尺寸，通常作为纳米颗粒的尺寸给出。然而，在许多情况下，粒料不容易分散为单个颗粒，而是作为具有强亲和力的积聚物或聚集体存在。在这种情况下，粒料具有比实际的单个纳米颗粒可以表现出的更小的表面积，并因此在需要二氧化钛纳米颗粒可以固有地显示的大表面积的使用情况下使用时可能表现出不良的性能。因此，尽管已经提出了包括其中添加氧化硅，氧化铝或有机化合物以控制二氧化钛纳米颗粒的尺寸和比表面积的方法，但这些方法基本上都会涉及添加杂质，因此根据使用情况可能并非是合适的。此外，尽管涉及使用添加剂如如醇等的有机溶剂、表面取代剂和结构导向剂，或低于室温冷却类型的制备方法等的方法已知为用于控制二氧化钛颗粒的均匀性的技术(国际专利公开WO 2011-149277)，但这样的方法可能会导致生产成本的增加，并可能难以在基于硫酸法的二氧化钛制备方法中使用，并且添加剂也可能会充当降低锐钛型二氧化钛的反应性的杂质。