采用电场热处理制备高光催化活性纳米二氧化钛粉末的方法

摘要

本发明公开了一种采用电场热处理制备高光催化活性纳米二氧化钛粉末的方法。通过对样品在制备过程中施加外电场，促进了纳米二氧化钛的形核和相变，并经过较低的热处理温度就可以获得具有高光催化活性的纳米二氧化钛粉末。本发明提供一种能够在较低热处理温度下制备出高光催化活性的纳米二氧化钛粉末的方法，即采用电场热处理工艺来控制纳米二氧化钛的形核与相变，制备出的二氧化钛粉末具有光催化活性高的特性。

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，涉及采用电场热处理制备高光催化活性纳米二氧化钛粉末的方法。

背景技术

纳米二氧化钛粉末是一种重要的功能材料，在光催化降解方面有着诱人的应用前景。由于纳米材料结构的特异性，导致了它具有原材料所不具有的四大效应，即小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，从而使纳米二氧化钛材料产生了与普通尺寸二氧化钛所不具备的特殊的功能。以溶胶-凝胶法为基础的纳米二氧化钛粉末的制备方法是目前运用较多的纳米材料制备方法，但溶胶-凝胶法直接获得的二氧化钛多数为无定型相，若想得到具备特殊功能的各种二氧化钛纳米晶相，一般都需要进行后续热处理，而且热处理的温度都比较高。这既浪费了大量的能源，又使纳米二氧化钛在较高的热处理温度条件下颗粒迅速长大并可能发生团聚，从而影响纳米二氧化钛的性能。在专利号为200610030158.9，名称为《具有光催化活性的纳米二氧化钛催化剂的制备方法》的专利申请中，公开了一种利用非水溶胶-凝胶法制备具有可见光催化活性的纳米二氧化钛催化剂的方法。该方法包括：在室温搅拌条件下，将四氯化钛滴加到醇类溶剂中，滴加完毕后继续陈化0.5-100h，然后在一定的温度条件下烘干得到的二氧化钛粉末，再经300-1000℃高温煅烧，即得二氧化钛纳米催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用电场热处理制备高光催化活性纳米二氧化钛粉末的方法，使纳米二氧化钛在制备过程中在外加电场的作用下促进形核并经过较低的热处理温度就可以获得所需的晶相。电场热处理是一种特殊的材料制备工艺，在电场和加热条件的共同作用下材料的微观结构会产生独特的变化。

本发明的技术方案是：采用电场热处理制备高光催化活性纳米二氧化钛粉末的方法，其特征在于，该方法是通过在溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛粉末的后续热处理工艺中，对二氧化钛干凝胶施加不同强度的外电场，来实现对二氧化钛形核、相变的控制，步骤如下：

(1)按照重量百分比将10％-30％的钛酸酯、40％-60％的醇类溶剂、10％-30％稳定剂、0.5％-1％的表面活性剂倒入反应器具中搅拌，然后在室温下将2％-5％的氨水倒入反应器具的溶液中并搅拌1-6小时，制得所需的溶胶；

(2)将溶胶在80-100℃干燥12-24小时获得干凝胶；

(3)将所得干凝胶放入电场热处理装置中进行电场热处理，热处理温度为180-380℃，电场强度为200-5000V/cm，电场热处理时间为0.5-2小时。

(4)自然冷却到室温，即制得所需的高光催化活性的纳米二氧化钛粉末。

优选热处理温度为180-380℃，电场强度为200-5000V/cm，电场热处理时间为0.5-2小时。

所述的钛酸酯为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯或钛酸乙酯，所述的醇类溶剂为乙醇、丙醇或异丙醇。所述的表面活性剂为油酸、山梨醇酐单硬脂酸酯。

对溶胶-凝胶法获得的二氧化钛粉末进行电场热处理，利用外加电场形成诸多动力学、热力学驱动力，促进纳米二氧化钛晶相的形核过程，从而降低纳米二氧化钛粉末的热处理温度，避免纳米氧化物粉末的迅速长大。电场热处理控制二氧化钛粉末相变行为的主要原因可以归结于以下三个方面：一是电场影响纳米二氧化钛的形核活化能；二是电场将影响二氧化钛中带电离子的扩散路径和速度；三是电场可能造成局部离子浓度的偏聚。

本发明的有益效果是，提供了一种能够在较低热处理温度下制备出高光催化活性的纳米二氧化钛粉末的方法，即采用电场热处理工艺来控制纳米二氧化钛的形核与相变，制备出的二氧化钛粉末具有光催化活性高的特性。

具体实施方式

实施例1：

(1)按照重量百分比将20％的钛酸四丁酯、55％的乙醇、20％的乙酰丙酮、1％油酸倒入反应器具中，在室温下搅拌0.5-1小时；再将4％的氨水慢慢倒入制得的溶液中，在室温下搅拌1-2小时制得所需的溶胶；

(2)将溶胶在80℃干燥24小时获得干凝胶

(3)对所得干凝胶进行电场热处理，热处理温度为280℃，电场强度为5000V/cm，电场热处理时间为1小时。

(4)自然冷却到室温，制得二氧化钛粉末。

实施例2：

(1)TiO₂干凝胶的制备：

同实施例1中的步骤(1)、步骤(2)制备；

(2)对所得干凝胶进行电场热处理，热处理温度为280℃，电场强度为2000V/cm，电场热处理时间为1小时。

(3)自然冷却到室温，制得二氧化钛粉末。

实施例3：

(1)TiO₂干凝胶的制备：

同实施例1中的步骤(1)、步骤(2)制备；

(2)对所得干凝胶进行电场热处理，热处理温度为280℃，不对样品施加电场，即电场强度为0V/cm，热处理时间为1小时。

(3)自然冷却到室温，制得二氧化钛粉末。

实施例4：

(1)TiO₂干凝胶的制备：

同实施例1中的步骤(1)、步骤(2)制备；

(2)对所得干凝胶进行电场热处理，热处理温度为350℃，不对样品施加电场，即电场强度为0V/cm，热处理时间为1小时。

(3)自然冷却到室温，制得二氧化钛粉末。

将实施例1、2、3、4得到的样品分别编号为1#，2#，3#，4#，对粉末进行X射线衍射分析，结果显示，1#样品的二氧化钛膜为金红石相和锐钛矿相的混晶；2#样品的二氧化钛膜主要为锐钛矿相；3#样品的二氧化钛膜主要为无定型相；4#样品的二氧化钛膜主要为锐钛矿相。以上表明，对二氧化钛干凝胶样品进行电场热处理促进了纳米二氧化钛的形核与相变。

为了检验粉末的光催化降解性能，本发明选用甲基橙作为光催化降解对象。对四种样品分别进行光催化降解性能测试，测试仪器使用HP8452A型紫外可见光分光光度计。将样品浸到10ml浓度为20mg/L的甲基橙水溶液的试管中，将试管分别放在紫外光下照射2小时，其间用气泵向溶液中通入空气，其流量为200ml/min，测定甲基橙浓度变化，计算出分解效率，结果表明(见下表1)，电场热处理条件下获得的二氧化钛粉末就可以体现出光催化降解效率高的性能。

     表1 甲基橙分解效率对照表

  样品编号  对甲基橙分解效率  1#  95％  2#  75％  3#  16％  4#  51％