一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法
2023-12-07 08:05:36
一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法
【專利摘要】一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，是一種促進多層納米片快速剝離成單層氧化鈦納米片的方法。為實現質子型鈦酸鹽快速及完全的剝離，本發明所述方法為：稱取o.ro.5g質子型鈦酸鹽溶於lOOmL四丁基氫氧化銨溶液（0.002~0.08mol/L),於恆溫振蕩器中充分混合12h後，將混合液於超聲波清洗機中超聲5~100min(超聲功率400W，頻率40KHz)，再置於恆溫振蕩器（20(T400r/min)或磁力攪拌器(lOOlOOr/min)進行溶脹剝離反應，其中超聲處理頻次控制為：5~100min/次，間隔時間為2~30h，反應5~20天後，質子型鈦酸鹽被剝離成單層氧化鈦納米片。本發明在保證納米片剝離的前提下，通過超聲輔助法加速電解質擴散於納米片前軀體的層間，為快速實現納米片的剝離及納米片尺寸的控制提供了簡便、有效的方法。
【專利說明】一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於化學材料合成、催化技術相關領域，是一種促進多層納米片快速剝離 成單層納米片的方法。
【背景技術】
[0002] 潔淨的水資源和空氣是人類健康生活和進行生產活動的不可或缺的物質條件。但 隨著經濟迅猛發展和人口激增，人類向環境中排放的汙染物對環境質量造成了極大危害。 近年來，各種處理方法已應用於環境治理中，但是這些方法中絕大多數不僅耗能高，而且只 是將汙染物從環境中轉移，並非完全轉化為C0 2、H2O等無機小分子。因此，開發高效低耗能 的綠色科技技術進行環境汙染治理變得迫切需要，有助於解決能源短缺，以便可持續發展 戰略的實施。
[0003] 近年來，氧化鈦光催化法作為一種高級氧化技術，因其安全無毒、效率高、反應徹 底等優點而受到廣泛關注。氧化鈦納米片（TihO 24xO是一種二維結構的納米材料，由質子 型鈦酸鹽HxTi2_ x/404在鹼性溶液中溶脹剝離而成的單層晶體，厚度不到I nm，橫向尺寸為微 米或準微米，通常帶負電，其具有很好的光催化、光電轉換效能。目前，單層氧化鈦納米片制 備過程中，以質子型鈦酸鹽作為前驅體大多採用恆溫振蕩的方法進行層間溶脹剝離反應， 但是耗時較長，這極大的限制了納米片的應用。本發明採用超聲處理質子型鈦酸鹽剝離的 混合液作為輔助手段，可以加速納米片的剝離，同時控制超聲頻次，可以得到不同尺寸的單 層氧化鈦納米片。
【發明內容】
[0004] 針對常規法振蕩剝離納米片耗時長的問題，本發明提供一種超聲輔助納米片剝離 成單層納米片的方法，簡單且易於實施。所述方法通過如下方式實現：稱取0. l~〇. 5 g的質 子型鈦酸鹽（HxTi2_x/404)溶於100 mL濃度為0. 002~0. 08 mol/L四丁基氫氧化銨（TBAOH)溶 液中，於恆溫振蕩器中200 r/min速度下充分混合12 h後，將混合液於超聲機中進行5~100 min的超聲處理(超聲功率400W，頻率40KHz)，再置於恆溫振蕩器（20(T400 r/min)中或磁 力攪拌器（1〇(Γ300 r/min)上進行溶脹剝離反應，反應過程中超聲處理頻次控制為：5~100 min/次，間隔時間為2~30 h，反應5~20天後，質子型鈦酸鹽被剝離成單層氧化鈦納米片。
[0005] 本發明是在大量的試驗測試及文獻調研分析上得出的，具體原理包括以下幾點： (1)當質子型鈦酸鹽溶於四丁基氫氧化銨溶液後，質子型鈦酸鹽層間的電荷出現了不 平衡，故溶液中的TBA+向層間擴散以保持電中性，同時水分子也會向層間擴散發生水化作 用，使得鈦酸鹽層間距發生改變，隨著水分子和TBA+不斷進入層間，同時伴隨著剪切力，使 得層間距繼續擴大，最終發生層離而生成單層氧化鈦納米片。
[0006] (2)超聲輔助法利用了超聲的原理，一方面加速離子擴散，使得溶液更迅速的擴散 至層間；另一方面，超聲過程空化產生的微小氣泡同樣可以產生摩擦剪切作用，加速了質子 型鈦酸鹽層間距的增加。總的來說，超聲處理起到一個加速擴散並剝離多層前驅體的作用。
[0007] (3)不同的混合方法(振蕩器振蕩和磁力攪拌）影響離子的擴散速度，故TBA+擴散 至質子型鈦酸鹽層間的時間各不相同，同時，不同的方式產生的不同剪切力對於質子型鈦 酸鹽溶脹剝離後所產生的單層納米片的尺寸大小亦有不同程度的影響。
[0008] 本發明所提供的超聲輔助多層質子型鈦酸鹽剝離的方法，能夠加速單層氧化鈦納 米片的製備，縮短了製備時間，同時製備所得的不同尺寸的單層氧化鈦納米片可以根據不 同需要應用於各種領域。此法操作簡單、有效、便捷，大大提高了單層氧化鈦納米片製備效 率。
[0009]
【具體實施方式】
[0010] 實施例1 : 將0.4 g質子型鈦酸鹽溶於100 mL濃度為0.004 mol/L TBAOH溶液中，使用磁力攪拌 方式進行混合，每24 h超聲處理15 min，反應14天，單層氧化鈦納米片平均尺寸約為500 μ m X 200 μ m〇
[0011] 實施例2: 將0.4 g質子型鈦酸鹽溶於100 mL濃度為0.004 mol/L TBAOH溶液，使用恆溫振蕩器 進行混合，每15 h超聲處理50 min，反應10天，單層氧化鈦納米片平均尺寸約為200 μ m X 100 μ m〇
[0012] 實施例3: 將0.4 g質子型鈦酸鹽溶於100 mL濃度為0.016 mol/L TBAOH溶液，使用恆溫振蕩器 進行混合，每10 h超聲處理25 min，反應18天，單層氧化鈦納米片平均尺寸約為300 μ m X 200 μ m〇
【權利要求】
1. 一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特徵在於所述方法步驟為：稱取 0. f〇. 5 g的質子型鈦酸鹽（HxTi2_x/404)溶於100 mL濃度為0. 002、. 08 mol/L四丁基氫氧 化銨（TBAOH)溶液中，於恆溫振蕩器中200 r/min速度下充分混合12 h後，將混合液於超聲 機中進行5?100 min的超聲處理(超聲功率400W，頻率40KHz )，再置於恆溫振蕩器（20(Γ400 r/min)中或磁力攪拌器（100~300 r/min)上進行溶脹剝離反應，反應過程中超聲處理頻次 控制為：5~100 min/次，間隔時間為2~30 h，反應5~20天後，質子型鈦酸鹽被剝離成單層氧 化鈦納米片。
2. 根據權利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特徵在於所述的 質子型鈦酸鹽投加量為〇. l~〇. 5 g。
3. 根據權利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特徵在於所述 的四丁基氫氧化銨（TBAOH)溶液濃度為0. 002?0. 08 mol/L。
4. 根據權利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特徵在于振蕩 器的轉速為20(T400 r/min，磁力攪拌器轉速為ΚΚΓ300 r/min。
5. 根據權利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特徵在於超聲 處理頻率為5?100 min/次，間隔時間為2?30 h。
6. 根據權利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特徵在於混合 後攪拌或振蕩5~20天。
【文檔編號】B82Y30/00GK104211111SQ201410447077
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】陳少華, 崔星, 石建穩, 王曉君, 徐穎 申請人:中國科學院城市環境研究所