[发明专利]一种二氧化钛纳米空心球的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种二氧化钛纳米空心球的制备方法及其作为光催化剂处理染料废水的应用。

二、背景技术

二氧化钛（TiO₂）作为N型半导体材料，其带隙宽度为3.5eV，具有很好的光催化及电化学性能。纳米空心结构具有高比面积、低密度及表面渗透力强等特点，使其在催化、吸附、锂离子电池和药物缓释等方面具有广阔的应用前景。TiO₂纳米空心球在锂离子电池、太阳能电池、传感器、尤其是在光催化等领域近年来引起了科技人员的关注。由于TiO₂纳米空心球粒径小，表面活性位多，可以有效地增加催化剂的接触面积，加之其成本较低，化学稳定性较好，且对环境无害，可以循环利用，因此TiO₂纳米空心球是一种理想的光催化剂。

中国专利（CN101215004A）(一种空心球结构二氧化钛的制备方法)公开了一种在表面活性剂作用下自组装生成空心球结构纳米二氧化钛的方法。该方法是将浓度为10%~20%的TiCl₄乙醇溶液与非离子型表面活性剂均匀混合，磁力搅拌20~100min。混合物在惰性气体保护作用下载入蒸发器，在150-250°C下气化，进而进入燃烧反应器，在燃烧室内进行水解并在表面活性剂的作用下进行自组装，反应温度为1000~2500°C,最后生成直径为20~80nm，壁厚为4~10nm的二氧化钛空心球结构。该技术需要在较高温度下进行气化、燃烧，能耗较大。同时合成过程加入了表面活性剂，导致燃烧后产生了污染环境的废气，环境治理成本较高。

中国专利（CN101580275A）（一种制备二氧化钛空心球状粉体的方法）公开了一种利用TiCl₄在离子液体和去离子水界面的缓慢水解作用制备二氧化钛球状粉体的方法。该方法是将TiCl₄溶于离子液体中，形成浓度为0.1~1M的溶液，按一定的体积比缓慢加入去离子水，两种液体形成一定的界面。反应一段时间后，所得溶液分为三层，将底层的白色沉淀用去离子水和乙醇洗涤，离心分离，在温度为325~385K的烘箱中干燥2~24h。将烘干后的粉末至于硅碳棒炉中，以1~10K/min的速率由室温升温到473~773K，保温1~6h，得到直径为100~2000nm的TiO₂空心球。在该技术的实施过程中，溶剂采用离子液体，造价较高，且所得产物的粒径大小不太均匀。

中国专利（CN1834021A）（一种介孔空心球状二氧化钛粉体的制备方法）公开了一种利用喷雾干燥法制备介孔结构二氧化钛空心球的方法。首先，将四氯化钛与纯水以1:2的体积比，在0~10℃下混合搅拌成浅黄绿色溶胶。然后，将其放置2~36小时后加以纯水稀释，充分搅拌制成无色透明溶液。最后将其置于喷雾干燥仪中，四氯化钛溶液的入口流速为15mL/min，热空气喷嘴的入口温度为165°C，出口温度为105°C，所得产物即为由纳米二氧化钛颗粒组成的空心球状粉体。该技术采用喷雾干燥法，设备复杂、投资大、生产过程难以控制、不易大规模生产。

中国专利（CN1803938A）（TiO₂/CaCO₃纳米复合颗粒和空心TiO₂纳米材料及其制备方法）公开了一种以碳酸钙为模板，利用钛酸盐的水解作用，表面均匀包覆TiO₂的方法。将10g碳酸钙颗粒分散到100mL无水乙醇中形成悬浮液，加入长链烷基铵类等表面活性剂做模板剂，接着加入0.05mol钛的有机化合物在反应器中混合，同时加入一定量乙酰丙酮作水解控制剂，控制温度和pH值，滴加一定量的水，控制钛的水解，经过24小时陈化处理，在碳酸钙的表面沉积一层水合二氧化钛，经过滤，洗涤，干燥，焙烧得TiO₂/CaCO₃复合粉体。将制得的TiO₂/CaCO₃复合粉体经焙烧、酸溶、过滤、洗涤和干燥过程得到具有空心结构TiO₂（介孔）纳米材料。该技术应用了表面活性剂及有机水解控制剂，对样品的洗涤过程造成了困难，煅烧过程也会产生不利于环境的废气，同时陈化时间过长，容易造成产物团聚。

三、发明内容

本发明针对上述现有技术所存在的不足之处，旨在提供一种制备工艺简单、反应条件温和、未添加任何损害环境的添加剂且比表面积大的TiO₂纳米空心球的制备方法。

本制备方法包括模板的制备和空心球的制备：