超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置的製作方法

2023-07-02 00:15:46

專利名稱：超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種納米材料製備裝置，特別涉及一種超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置。
背景技術：
納米材料是20世紀80年代中期發展起來的一種具有全新結構的材料，粒徑為 1 lOOnm，相當於普通鈦白粉粒徑的1/10。具有無毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，介電係數高、折射率高，表面能大，易於吸附有機物等特性。納米粒子因其具有小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，故具有不同於常規固體的光、熱、電、磁等特性。在眾多的半導體光催化劑中，TiO2因其化學性質穩定、難溶、無毒、成本低而成為廣泛應用的光催化劑。目前，TiO2納米管的製備方法有模板合成法、電化學陽極氧化法、水熱合成法等。模板合成法是指把納米結構基元組裝到模板孔而製備納米管或納米線的一類方法，該方法可以製備出不同長度、管徑和管壁厚度的納米管，但難以合成直徑較小的納米管，另外在除去模板的過程中納米材料表面甚至結構可能會受到破壞，製備過程及工藝複雜。電化學陽極氧化法是採用純鈦板與惰性電極組成的兩電極體系，恆電位下金屬鈦在電解液體系中經陽極氧化而獲得納米管陣列的電化學方法。用於精確構建特定的納米結構材料，該方法製備出的TiO2納米管為單層壁管，管徑10 150nm，比表面積較高。水熱合成法是指在密封的壓力容器(高壓釜)內，採用水溶液作為反應介質，通過將反應體系加熱至臨界溫度，在反應體系中產生高溫、高壓環境，並在水熱條件下前驅物得到充分的溶解，達到一定的過飽和度，從而形成原子或分子生長基元，進行成核結晶。水熱合成法所得的產物粉末細、純度高、晶型好，無需高溫煅燒，晶粒物相和形貌易控制，工藝較為簡單。合成的納米級的TiO2具有量子尺寸效應(帶隙邊藍移)和表面效應(高比表面積)，在紫外光條件下有較高的光催化活性。水熱法的主要裝置是水熱反應釜。水熱反應釜是在溫度為100 100(TC、壓力為 IMPa IGPa的條件下利用水溶液中物質化學反應進行合成的一種裝置。在亞臨界和超臨界水熱條件下，由於反應處於分子水平，反應性提高，因而水熱反應可以替代某些高溫固相反應。又由於水熱反應的均相成核及非均相成核機理與固相反應的擴散機制不同，因而可以創造出其它方法無法製備的新化合物和新材料。這種具有特殊光、電、磁性質及催化性能的無機材料合成、製備與組裝以及結構與性能之間關係研究的突破，導致新物種和新材料的出現，甚至會帶動新的產業革命。

發明內容
本發明目的是提供一種超聲_水熱耦合製備納米材料的裝置，在簡單易控的工藝條件下，實現了超聲水熱的一體化，節省時間，而且能製備出粗細均勻，管壁厚度清晰可見的TiO2納米管，並有效改善了 TiO2團聚現象，提高了 TiO2納米管光催化活性，該裝置還可以用於製備TiO2納米粉、PbO納米粉、PbO納米管、GdS納米管等等。本發明採用的技術方案是—種超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置，所述的裝置由電熱恆溫控制箱、水熱反應釜系統和超聲波發生器組成，所述的水熱反應釜系統由水熱反應釜、超聲波變幅杆和超聲波換能器組成，所述的電熱恆溫控制箱上方有鐵架支撐臺，所述超聲波換能器固定於鐵架支撐臺上，所述超聲波換能器頂端通過線路與超聲波發生器連接，所述超聲波換能器底端通過螺紋旋鈕與超聲波變幅杆上端連接，所述超聲波變幅杆下端通過螺紋旋鈕與水熱反應釜連接，所述水熱反應釜懸掛於電熱恆溫控制箱內。所述的水熱反應釜系統有1 6個，每個水熱反應釜系統中的超聲波換能器各自獨立與同一臺超聲波發生器連接。所述的水熱反應釜系統優選有2個，並各自獨立與同一臺超聲波發生器連接。所述的超聲波變幅杆下端懸置於電熱恆溫控制箱內通過螺紋旋鈕與水熱反應釜連接，超聲波變幅杆上端置於電熱恆溫控制箱外通過螺紋旋鈕與超聲波換能器連接。所述的超聲波發生器超聲頻率為5KHz 25KHz。所述的電熱恆溫控制箱溫度範圍為100 280°C。本發明所述的超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置可以用於製備TiO2納米粉、 TiO2納米管、PbO納米粉、PbO納米管或GdS納米管等納米材料。當超聲波發生器處於工作狀態時，換能器將超聲能量通過變幅杆傳遞至反應釜液體內部，使液體內部運動的粒子受到空化衝擊，在固液交界面上急速形成氣體空泡，繼而迅速發展和潰滅，空泡潰滅時產生的脈衝作用加大了分子間的振動，破壞分子間作用力，生成新物質並產生振動能量，使反應物質充分混合，分散均勻，以達到充分反應的目的。超聲頻率可以達到5KHz 25KHz ；電熱恆溫控制箱控制反應所需的溫度100°C 280°C。水熱反應釜內的物質在高溫高壓、強鹼性的條件下進行化學反應，隨著時間的延長逐漸生成納米粉、 納米管、納米球或納米線。本發明所述的超聲_水熱耦合製備納米材料的裝置製備TiO2納米管(或納米粉) 的方法為(1)將鈦酸丁酯與無水乙醇混合，再加入硝酸水溶液中，攪拌1 2h，獲得溶膠， 再將溶膠或TiO2粉末加入NaOH水溶液中攪拌混合，獲得混合液；(2)將步驟(1)獲得的混合液加入上述水熱反應釜內，超聲波發生器通過超聲波換能器作用於水熱反應釜，在5 25KHz反應20 60min，再在100 280°C下反應24 48h，反應結束，反應液經後處理製得所述的TiO2納米管。所述的步驟⑵中鈦酸丁酯與無水乙醇、硝酸水溶液、NaOH水溶液體積比為 1 2. 5 5. 5 1. 5 6 4 7，所述硝酸水溶液的摩爾濃度為0. 1 4mol/L、NaOH 水溶液摩爾濃度為8 12mol/L，如使用TiO2粉末，所述TiO2粉末與NaOH水溶液質量比為 1 40 60。所述的步驟(3)的反應條件優選在10 20KHz反應20 40min。所述的步驟(3)中所述的後處理方法為反應結束，反應液自然冷卻至室溫，用物質的量濃度0. 01 lmol/L鹽酸溶液洗滌至PH值為3 5，再用蒸餾水洗滌至PH值為7. 0， 過濾，濾餅在60 80°C烘乾，製得所述的TiO2納米管。與現有技術相比，本發明的有益效果主要體現在本發明裝置操作簡單，超聲水熱一體化，所製備納米材料粗細均勻，管壁厚度清晰可見，本發明所製備的TW2納米管有效改善了 TiA團聚現象，提高了 TW2納米管光催化活性。


圖1為超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置圖，1-數顯式電熱恆溫控制箱，2-水熱反應釜，3-超聲波換能器，4-鐵架支撐臺，5-線路，6-超聲波發生器，7-超聲波變幅杆， 8-水熱反應釜系統；圖2為水熱反應釜系統結構示意圖，3-超聲波換能器，7-超聲波變幅杆，2-水熱反
應釜；圖3為實施例1製備的T^2納米管透射電鏡(TEM)圖；圖4為實施例3製備的TW2納米粉SEM圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護範圍並不僅限於此實施例1所述的超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置由電熱恆溫控制箱1、水熱反應釜系統8和超聲波發生器6組成，所述的水熱反應釜系統8由水熱反應釜2、超聲波變幅杆7和超聲波換能器3組成，所述的電熱恆溫控制箱1上方有鐵架支撐臺4，所述超聲波換能器3 固定於鐵架支撐臺4上，所述超聲波換能器3頂端通過線路5與超聲波發生器6連接，所述超聲波換能器3底端與超聲波變幅杆7通過螺紋旋鈕連接，所述超聲波變幅杆7通過螺紋旋鈕與水熱反應釜2連接，所述水熱反應釜2懸掛於電熱恆溫控制箱1內，如圖1-2所示；所述的水熱反應釜系統8優選有2個，並各自獨立與同一臺超聲波發生器連接。所述的超聲波變幅杆7下端懸置於電熱恆溫控制箱1內通過螺紋旋鈕與水熱反應釜2連接，超聲波變幅杆7上端置於電熱恆溫控制箱1外通過螺紋旋鈕與超聲波換能器3 連接。所述的超聲波發生器6超聲頻率為5KHz 25KHz。所述的電熱恆溫控制箱1溫度範圍為100 280°C。超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置製備TiO2納米管的步驟為(1)將30ml無水乙醇加入IOml鈦酸丁酯中充分攪拌30min，形成透明的淡黃色溶液，再將溶液滴加到20ml lmol/L的硝酸水溶液中，攪拌lh，獲得透明溶膠，再將溶膠緩慢加入50ml 10mol/LNa0H水溶液中，劇烈攪拌混合，獲得混合液；( 將步驟(1)獲得的混合液加入所述水熱反應釜2 內，超聲波發生器6通過超聲波換能器3作用於水熱反應釜2，在5KHz條件下反應20min， 再在100°C下反應Mh，反應結束，反應液自然冷卻至室溫，取出反應液，用O.Olmol/L HCl 溶液洗滌至PH值3，再用蒸餾水洗滌至pH值7，過濾，濾餅60°C烘乾，獲得TW2納米管。透射電鏡圖(TEM)如圖3所示，可以看出納米管粗細均勻，管壁厚度清晰可見。實施例2TiO2納米管實驗操作及裝置同實施例1，將由鈦酸丁酯獲得的溶膠換成TW2粉末 2g(即市售的P25)作為前驅物，與50ml lOmol/LNaOH水溶液(IlOg)，其他條件相同進行合成反應，得到具有清晰管狀形貌的TiO2納米管。實施例3TiO2納米管實驗操作及裝置同實施例1。(1)將40ml無水乙醇加入15ml鈦酸丁酯中充分攪拌20min，形成透明的淡黃色溶液，再將溶液滴加到30ml lmol/L的硝酸水溶液中，攪拌1. 5h，獲得透明溶膠，再將溶膠緩慢加入100ml lmol/L NaOH溶液中，劇烈攪拌混合，獲得混合液；(2)將步驟(1)獲得的混合液加入所述水熱反應釜2內，超聲波發生器6通過超聲波換能器3作用於水熱反應釜2， 在5KHz條件下反應20min，再在80°C下反應2h，反應結束，反應液自然冷卻至室溫，取出反應液，用蒸餾水洗滌至PH值7，過濾，濾餅60°C烘乾，獲得TiO2納米粉。TiO2納米粉的掃描電鏡圖(SEM)如圖4所示。
權利要求
1.一種超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置，其特徵在於所述的裝置由電熱恆溫控制箱、水熱反應釜系統和超聲波發生器組成，所述的水熱反應釜系統由水熱反應釜、超聲波變幅杆和超聲波換能器組成，所述的電熱恆溫控制箱上方有鐵架支撐臺，所述超聲波換能器固定於鐵架支撐臺上，所述超聲波換能器頂端通過線路與超聲波發生器連接，所述超聲波換能器底端通過螺紋旋鈕與超聲波變幅杆上端連接，所述超聲波變幅杆下端通過螺紋旋鈕與水熱反應釜連接，所述水熱反應釜懸掛於電熱恆溫控制箱內。
2.如權利要求1所述的超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置，其特徵在於所述的水熱反應釜系統有1 6個，每個水熱反應釜系統中的超聲波換能器各自獨立與同一臺超聲波發生器連接。
3.如權利要求1所述的超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置，其特徵在於所述的水熱反應釜系統2個，並各自獨立與同一臺超聲波發生器連接。
4.如權利要求1所述的超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置，其特徵在於所述的超聲波變幅杆下端懸置於電熱恆溫控制箱內通過螺紋旋鈕與水熱反應釜連接，超聲波變幅杆上端置於電熱恆溫控制箱外通過螺紋旋鈕與超聲波換能器連接。
5.如權利要求1所述的超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置，其特徵在於所述的超聲頻率為5KHz 25KHz。
6.如權利要求1所述的超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置，其特徵在於所述的電熱恆溫控制箱溫度範圍為100 280°C。
全文摘要
本發明提供了一種超聲-水熱耦合製備納米材料的裝置，所述的裝置由電熱恆溫控制箱、水熱反應釜系統和超聲波發生器組成，所述的水熱反應釜系統由水熱反應釜、超聲波變幅杆和超聲波換能器組成，所述的電熱恆溫控制箱上方有鐵架支撐臺，所述超聲波換能器固定於鐵架支撐臺上，所述超聲波換能器頂端通過線路與超聲波發生器連接，所述超聲波換能器底端通過螺紋旋鈕與超聲波變幅杆上端連接，所述超聲波變幅杆下端通過螺紋旋鈕與水熱反應釜連接，所述水熱反應釜懸掛於電熱恆溫控制箱內；本發明裝置操作簡單，超聲水熱一體化，所製備納米材料粗細均勻，管壁厚度清晰可見，可以用於製備TiO2納米粉、TiO2納米管、PbO納米粉、PbO納米管或GdS納米管等納米材料。
文檔編號B01J19/10GK102350288SQ20111024115
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月22日 優先權日2011年8月22日
發明者王慧娟, 賴世強, 陳金媛, 魏秀珍 申請人:浙江工業大學