一種採用冷凍乾燥法製備多孔二氧化鈦納米材料的新方法與流程
2023-10-09 12:29:59 2
本發明涉及材料領域，特別涉及一種採用冷凍乾燥製備多孔二氧化鈦納米材料的新方法。
背景技術：
近年來，多孔二氧化鈦納米材料因其特殊的性質而成為當前納米科技的研究熱點。二氧化鈦具備綠色環保、催化活性高、化學性質穩定、成本低、高折射率、優異的生物相容性、光敏、氣敏等特性，在電化學、光催化、生物傳感、廢水處理以及能源領域等均有廣泛的應用。二氧化鈦的研究成果可以有效地應用到日常生活中的方方面面，給人們的生活帶來便利，提高生活質量。
二氧化鈦的晶型分為三種：板鈦礦型、銳鈦礦型和金紅石型。目前最主要的研究方法是模板法、水熱分解法、溶劑熱法、溶膠凝膠法等，有效地實現了對二氧化鈦結構與形態的控制。由於鈦源對反應體系中的水較為敏感，造成水解速度過快，往往會發生顆粒的聚集，形態不規則，分散性差；溶劑熱法相對簡單，但是如何控制前驅體在溶劑中的分散是個難題。模板法可以分成硬模板法和軟模板法，然而模板的去除是比較棘手的問題。採用化學試劑去除模板，不僅會導致材料結構的改變，還會汙染產物；煅燒法去除可以提高結晶性，但會影響材料的成型。上述這些傳統方法存在耗時長、製備過程複雜、環境汙染以及價格昂貴等缺點，因此急需要一種更為高效、綠色、廉價的方法來取代。在我們的工作中，報導了一種採用灌注液氮快速冷凍以及後續冷凍乾燥的新工藝製備了分層級多孔二氧化鈦納米材料。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種採用冷凍乾燥製備多孔二氧化鈦納米材料的新方法，以克服傳統方法製備步驟繁瑣、原料使用量大、周期長，產物純度不佳等缺點。
本發明所提供的一種多孔二氧化鈦納米材料的新方法是：
將鈦酸四丁酯與鹽酸溶液相混合，攪拌後灌注液氮快速冷凍以及進一步冷凍乾燥處理，最後經過煅燒即得到多孔的二氧化鈦納米材料，孔徑大小在100-300nm。
採用鈦酸四丁酯作為二氧化鈦前驅體，在鹽酸水溶解中發生水解，形成溶膠。灌注液氮使得溶膠快速冷凍，隨後進行冷凍乾燥處理，溶膠中的水成為造孔劑，液氮起到維持結構形貌的作用，最後經過煅燒後得到多孔的二氧化鈦納米材料。
所述的多孔二氧化鈦納米材料的製備方法，鈦酸四丁酯和1M鹽酸溶液體積比為1:2～1:6，攪拌時間為3-24h，冷凍乾燥時間為12-24h，煅燒溫度為500℃，煅燒時間為4h。
所述的多孔二氧化鈦納米材料，孔徑大小在100-300nm，表面孔的分布非常均勻，具有廣泛的應用前景。
與已有技術相比，本發明所述的採用冷凍乾燥製備多孔二氧化鈦納米材料的新方法，具有如下的優越性和有益效果：
1)與傳統的模板法或者水熱法相對比，該方法原料使用量較少，減少了對環境的汙染，此外，實驗步驟簡單，避免了傳統方法耗時長、過程繁瑣等缺點，並且工藝成本低廉，十分有利於多孔二氧化鈦納米材料的大規模生產。
2)本方法製得多孔材料結構十分優異，孔徑均勻，分散良好，在許多領域具有應用前景。
下面結合說明書附圖和具體實施方式對本發明做進一步介紹。
附圖說明
圖1為多孔二氧化鈦納米材料的製備流程圖：
圖2為鈦酸四丁酯：鹽酸為1:2，攪拌3小時的樣品SEM圖片：
圖3為鈦酸四丁酯：鹽酸為1:2，攪拌24小時的樣品SEM圖片。
具體實施方式
下面通過實施例對本發明進行具體的描述，只用於對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限定，該領域的技術工程師可根據上述發明的內容對本發明作出一些非本質的改進和調整。
實施例1：
如圖1—2所示，取一隻20ml的玻璃a瓶，加入1ml鈦酸四丁酯和2ml鹽酸溶液(1M)，攪拌3小時後，溶液由渾濁變澄清。將小黑瓶放置於地面上，進行液氮的灌注，保證液體快速冷凍，隨即轉移至冷凍乾燥機中進行12h的冷凍乾燥。待乾燥結束後，轉移小黑瓶至馬弗爐中，進行500度煅燒處理，升溫速度為2℃/min，保溫時間為4h，降溫速度與升溫速度相同，即得到多孔二氧化鈦納米材料。
實施例2：
如圖1所示，取一隻20ml的小黑瓶，加入1ml鈦酸四丁酯和4ml鹽酸溶液(1M)，攪拌3小時後，溶液由渾濁變澄清。將小黑瓶放置於地面上，進行液氮的灌注，保證液體快速冷凍，隨即轉移至冷凍乾燥機中進行12h的冷凍乾燥。待乾燥結束後，轉移小黑瓶至馬弗爐中，進行500度煅燒處理，升溫速度為2℃/min，保溫時間為4h，降溫速度與升溫速度相同，即得到多孔二氧化鈦納米材料。
實施例3：
如圖1及圖3所示，取一隻20ml的小黑瓶，加入1ml鈦酸四丁酯和2ml鹽酸溶液(1M)，攪拌24小時後，溶液由渾濁變澄清。將小黑瓶放置於地面上，進行液氮的灌注，保證液體快速冷凍，隨即轉移至冷凍乾燥機中進行16h的冷凍乾燥。待乾燥結束後，轉移小黑瓶至馬弗爐中，進行500度煅燒處理，升溫速度為2℃/min，保溫時間為4h，降溫速度與升溫速度相同，即得到多孔二氧化鈦納米材料。
實施例4：
如圖1所示，取一隻20ml的小黑瓶，加入1ml鈦酸四丁酯和6ml鹽酸溶液(1M)，攪拌6小時後，溶液由渾濁變澄清。將小黑瓶放置於地面上，進行液氮的灌注，保證液體快速冷凍，隨即轉移至冷凍乾燥機中進行24h的冷凍乾燥。待乾燥結束後，轉移小黑瓶至馬弗爐中，進行500度煅燒處理，升溫速度為2℃/min，保溫時間為4h，降溫速度與升溫速度相同，即得到多孔二氧化鈦納米材料。