[发明专利]一种球形完好的锐钛矿型二氧化钛空心球壳及其制备方法

说明书

本发明提供一种球形完好的锐钛矿型二氧化钛空心球壳及其制备方法，包括如下步骤：步骤1，采用无皂液聚合法制备改性PS胶体微球乳液；步骤2，通过混合溶剂法包裹TiO₂壳层结构，得到PS@TiO₂粉体；步骤3，PS@TiO₂粉体进行两次煅烧处理：一次煅烧是在450‑550℃下煅烧2h；二次煅烧是在320‑420℃下煅烧10min，得到二氧化钛空心球壳。本发明制得的二氧化钛为锐钛矿型，空壳结构，球形度好，粒径均一，直径在100‑400nm之间，在催化、电池、气体存储及分离等光电化学应用领域有着广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种球形完好的锐钛矿型二氧化钛空心球壳及其制备方法。

背景技术

核壳结构是由一种纳米材料通过化学键或其他作用力将另一种纳米材料包覆起来形成的纳米尺度的有序组装结构。核壳结构由于其独特的结构特性，整合了内外两种材料的性质，并互相补充各自的不足，在催化、电池、气体存储及分离方面有着广泛的应用前景。

由于纳米TiO₂的比表面积较大，表面空键较多，导致其在制备和应用过程中极易发生团聚现象，使得催化效率不高，其优异的性能得不到充分的发挥。因此，以二氧化钛为基的核壳结构纳米材料的研究受到广大研究者的重视。

目前，二氧化钛基核壳结构纳米材料仍存在较多关键的科学及技术问题，制约着其工业应用。大多数二氧化钛基核壳结构纳米材料的制备成本高、工艺复杂造成规模生产困难，降低成本和简化工艺流程成了首要任务；采用何种材料与二氧化钛合成核壳结构的性能最好，及其在核壳结构中的合适配比等还有待考量。

有研究人员以纳米碳球或葡萄糖为核(例如，CN101905153A、CN101890350A和CN101857267A)，以钛酸丁酯为前驱液制备有机-二氧化钛核壳结构，再经煅烧去除有机核体，得到中空TiO₂壳层。但由于纳米碳球的大小本身不够均一，球形度也不够完美，所以包裹后煅烧制得的TiO₂壳结构大小不一；另外，纳米碳球的分散性不好，容易团聚，在包裹前需要长时间超声分散，否侧壳层之间发生严重粘连，影响材料的功能化应用。近些年来，以微乳液法制备出的胶体微球分散度好，粒径分布窄，以胶体微球为核，包裹TiO₂制备中空球壳的方法被大家尝试(CN105502485A和CN101077792A)，但是所得核壳结构的条件控制比较苛刻，尤其在煅烧的过程当中，完整的球壳结构遭到严重的破坏，往往造成坍塌、制出残破半球。

目前为止，大量制备出球形完好的锐钛矿型TiO₂空心球壳没有文献报道。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种球形完好的锐钛矿型二氧化钛空心球壳及其制备方法，制备的二氧化钛空心球壳球形结构完整，大小均一，破损明显减少。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种球形完好的锐钛矿型二氧化钛空心球壳的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，制备改性PS胶体微球乳液：取苯乙烯、α-甲基丙烯酸和水，混合均匀，在75-90℃下搅拌反应30-60min，然后注入引发剂过硫酸钾溶液，在75-90℃下反应7-9h，得到改性PS胶体微球乳液；

步骤2，包裹TiO₂壳层结构：所得改性PS胶体微球乳液分散于乙醇和乙腈的混合液中，记为A液；将钛酸丁酯溶于乙醇和乙腈的混合液中，记为B液；在搅拌条件下，将B液缓缓注入A液中，搅拌反应得到PS@TiO₂微球的分散液，再经过洗涤、烘干研磨成PS@TiO₂粉体；

步骤3，PS@TiO₂粉体进行两次煅烧处理：一次煅烧是在450-550℃下煅烧2h；二次煅烧是在320-420℃下煅烧10min，得到二氧化钛空心球壳。