一種銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化鈦作為重要的新能源和環(huán)境保護(hù)材料，可應(yīng)用于光催化、太陽能發(fā)電、太陽能集熱等領(lǐng)域。然而，二氧化鈦在太陽能利用方面面臨巨大的挑戰(zhàn)，主要原因在于其光吸收范圍窄、電子-空穴對的分離效率低。二氧化鈦只能吸收太陽光譜中?5%的紫外光，而無法利用可見光和近紅外光的能量；本征電導(dǎo)率只有?l0.S/cm，不利于光生電子-空穴對的分離和傳輸。這些問題嚴(yán)重影響了二氧化鈦在能源與環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，從而無法充分利用太陽能。研宄結(jié)果表明，采用三價鈦離子對二氧化鈦進(jìn)行自摻雜可有效縮小其禁帶寬度，特別是當(dāng)三價鈦以一定濃度摻入氧化鈦后，可使氧化鈦變?yōu)楹谏?，使其對可見光的吸收率達(dá)80%以上。黑色氧化鈦由于具有良好的太陽能寬譜吸收、化學(xué)物理穩(wěn)定性、以及較高的載流子濃度和電子迀移性能，從而可以滿足高效太陽能的要求。
[0003]目前，黑色氧化鈦制備方法主要有:高溫氫還原法、氫等離子體還原法、鋁還原法、二步非金屬摻雜法。其中，氫還原法存在工藝復(fù)雜、耗時長、成本高等缺點，而且存在易燃易爆等不安全因素；氫等離子體還原法、鋁還原法也同樣存在著設(shè)備投入費用高、能耗高、工藝條件復(fù)雜等缺點，并且鋁還原法其制備產(chǎn)量少；二步非金屬摻雜法制備的黑色氧化鈦存在光吸收不足的缺點。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)黑色氧化鈦制備方法仍然難以滿足產(chǎn)業(yè)化的需求，尋找一種易制備出銳鈦礦黑色氧化鈦粉的新方法，以批量化合成出性能優(yōu)異的黑色氧化鈦粉是目前急待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝簡單、過程快捷、可批量化生產(chǎn)的銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，以有效提高氧化鈦光催化活性，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，從而滿足對黑色納米氧化鈦的生產(chǎn)及使用需求。
[0005]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0006]本發(fā)明提供的一種銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法為:將Ti4+溶液與Ti 3+溶液混合而得到原料液；然后在所述原料液中加入沉淀劑、于pH值為5?7條件下攪拌反應(yīng)得到沉淀物；將所述沉淀物過濾、清洗后進(jìn)行焙燒，即得到銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉。
[0007]本發(fā)明可采取如下進(jìn)一步措施:所述銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I) Ti4+溶液的制備
[0009]將10?60g氟鈦酸銨粉加入到50?600ml去離子水中，攪拌至氟鈦酸銨粉完全溶解形成透明Ti4+溶液；或?qū)?0?60g TiCl 4溶解于濃鹽酸中形成透明Ti 4+溶液；
[0010](2)原料液的制備
[0011]按照摩爾比Ti3+/Ti4+= I?3，在所述Ti 4+溶液中加入TiCl 3溶液攪拌混合10?60min，得到原料液；
[0012]⑶沉淀反應(yīng)
[0013]在所述原料液中加入20?90g沉淀劑，攪拌并調(diào)節(jié)溶液體系pH值為5?7，而形成藍(lán)色沉淀物；
[0014](4)沉淀物煅燒
[0015]將所述沉淀物過濾、清洗以清除沉淀物表面吸附的Cl—和F—，然后將沉淀物在高純氬氣氣氛爐內(nèi)進(jìn)行焙燒，焙燒溫度為450?600°C，保溫時間為I?2h，待其冷卻后即得到銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉。
[0016]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述沉淀劑為低級脂肪酸，優(yōu)選丙酸或丁酸。
[0017]上述方案中，本發(fā)明所述銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉體為20?30nm的近球形顆粒組成的納米球。
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019]本發(fā)明所制得的黑色納米氧化鈦粉產(chǎn)品為純銳鈦礦相，其Ti3+含量具有良好的可控性，通過調(diào)整改變?nèi)芤褐械腡i3+/Ti4+摩爾比、沉淀劑的加入量以及氬氣氣氛下焙燒溫度便可制備出性能優(yōu)異且可控的納米黑色銳鈦礦氧化鈦粉。本發(fā)明不僅大幅度降低了生產(chǎn)成本，而且制備工藝簡單、過程快捷，可批量化生產(chǎn)，易于產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)，能夠有效滿足對黑色納米氧化鈦的生產(chǎn)及使用需求。
【附圖說明】
[0020]下面將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
[0021]圖1是本發(fā)明實施例一、二、三所得銳鈦礦黑色氧化鈦納米粉體的X-射線晶體衍射圖；
[0022]圖2是本發(fā)明實施例一、二、三所得銳鈦礦黑色氧化鈦納米粉體的FSEM照片；
[0023]圖3是本發(fā)明實施例三所得銳鈦礦黑色氧化鈦納米粉體的TEM照片；
[0024]圖4是本發(fā)明實施例一、二、三所得銳鈦礦黑色氧化鈦納米粉體和現(xiàn)有技術(shù)商用P25粉紫外可見吸收光譜圖；
[0025]圖5是本發(fā)明實施例三所得銳鈦礦黑色氧化鈦納米粉體在可見光區(qū)降解亞甲基藍(lán)光照時間與濃度關(guān)系圖；
[0026]圖6是本發(fā)明實施例二所得銳鈦礦黑色氧化鈦納米粉體的X射線光電子能譜圖。
【具體實施方式】
[0027]實施例一:
[0028]本實施例一種銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，其步驟如下:
[0029](I) Ti4+溶液的制備
[0030]常溫下，將20g氟鈦酸銨粉加入到200ml去離子水中，攪拌至氟鈦酸銨粉完全溶解形成透明Ti4+溶液；
[0031](2)原料液的制備
[0032]按照摩爾比Ti3+/Ti4+= 1，在上述Ti 4+溶液中加入濃度為15%的TiCl 3溶液攪拌混合lOmin，得到原料液；
[0033](3)沉淀反應(yīng)
[0034]在上述原料液中加入40g沉淀劑丙酸，攪拌并加入0.lmol/L稀氨水至溶液體系pH值為5，而形成藍(lán)色沉淀物；
[0035](4)沉淀物煅燒
[0036]將上述沉淀物過濾，并用去離子水反復(fù)清洗以清除沉淀物表面吸附的CllPF _，然后將沉淀物在高純氬氣氣氛爐內(nèi)進(jìn)行焙燒，焙燒溫度為450°C，保溫時間lh，待其冷卻后即得到銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉。
[0037]實施例二:
[0038]本實施例一種銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，其步驟如下:
[0039](I) Ti4+溶液的制備
[0040]常溫下，將20g氟鈦酸銨粉加入到200ml去離子水中，攪拌至氟鈦酸銨粉完全溶解形成透明Ti4+溶液；
[0041](2)原料液的制備
[0042]按照摩爾比Ti3+/Ti4+= 2，在上述Ti 4+溶液中加入濃度為15%的TiCl 3溶液攪拌混合lOmin，得到原料液；
[0043](3)沉淀反應(yīng)
[0044]在上述原料液中加入60g沉淀劑丙酸，攪拌并加入0.lmol/L稀氨水至溶液體系pH值為5，而形成藍(lán)色沉淀物；
[0045](4)沉淀物煅燒
[0046]將上述沉淀物過濾，并用去離子水反復(fù)清洗以清除沉淀物表面吸附的Cl—和F _，然后將沉淀物在高純氬氣氣氛爐內(nèi)進(jìn)行焙燒，焙燒溫度為500°C，保溫時間lh，待其冷卻后即得到銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉。
[0047]實施例三:
[0048]本實施例一種銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，其步驟如下:
[0049](I) Ti4+溶液的制備
[0050]常溫下，將20g氟鈦酸銨粉加入到200ml去離子水中，攪拌至氟鈦酸銨粉完全溶解形成透明Ti4+溶液；
[0051](2)原料液的制備
[0052]按照摩爾比Ti3+/Ti4+= 3，在上述Ti 4+溶液中加入濃度為15%的TiCl 3溶液攪拌混合lOmin，得到原料液；
[0053](3)沉淀反應(yīng)
[0054]在上述原料液中加入90g沉淀劑丙酸，攪拌并加入0.lmol/L稀氨水至溶液體系pH值為5，而形成藍(lán)色沉淀物；
[0055](4)沉淀物煅燒
[0056]將上述沉淀物過濾，并用去離子水反復(fù)清洗以清除沉淀物表面吸附的CllPF _，然后將沉淀物在高純氬氣氣氛爐內(nèi)進(jìn)行焙燒，焙燒溫度為500°C，保溫時間lh，待其冷卻后即得到銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉。
[0057]本發(fā)明實施例制備的銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉體，如圖1所示，具有較好的結(jié)晶度，其晶相為純銳鈦礦相，不含有金紅石和板鈦礦相；如圖2所示，粉體具有多級結(jié)構(gòu)，氧化鈦是由細(xì)小的20?30nm近球形顆粒組裝成納米球(見圖3);如圖4所示，產(chǎn)品在可見光范圍400?700nm光吸收達(dá)到84%以上，說明制備的黑色氧化鈦對可見光有強烈的吸收現(xiàn)象；如圖5所示，產(chǎn)品在可見光區(qū)降解亞甲基藍(lán)結(jié)果表明，產(chǎn)品在可見光區(qū)具有一定的光催化活性；如圖6所示，與白色氧化鈦的Ti2p3/2電子結(jié)合能(458.4eV)相比，黑色T1pj^Ti2p3/2電子結(jié)合能(457.6eV)減少了約0.8eV，對其進(jìn)行分峰處理后可發(fā)現(xiàn)，黑色T1px^有大量的Ti3+，且Ti3+譜峰面積約比Ti 4+譜峰面積大一倍，這與起始鈦鹽中Ti 3+/Ti4+摩爾比基本一致，說明，在制備黑色氧化鈦粉體過程中，起始溶液中的Ti3+并未被氧化并與Ti 4+共同構(gòu)筑成黑色氧化鈦。
【主權(quán)項】
1.一種銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，其特征在于:將Ti 4+溶液與Ti 3+溶液混合而得到原料液；然后在所述原料液中加入沉淀劑、于PH值為5?7條件下攪拌反應(yīng)得到沉淀物；將所述沉淀物過濾、清洗后進(jìn)行焙燒，即得到銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)Ti4+溶液的制備 將10?60g氟鈦酸銨粉加入到50?600ml去離子水中，攪拌至氟鈦酸銨粉完全溶解形成透明Ti4+溶液；或?qū)?0?60g TiCl 4溶解于濃鹽酸中形成透明Ti 4+溶液； (2)原料液的制備 按照摩爾比Ti3+/Ti4+= I?3，在所述Ti4+溶液中加入TiCl 3溶液攪拌混合10?60min，得到原料液； (3)沉淀反應(yīng) 在所述原料液中加入20?90g沉淀劑，攪拌并調(diào)節(jié)溶液體系pH值為5?7，而形成藍(lán)色沉淀物； (4)沉淀物煅燒 將所述沉淀物過濾、清洗以清除沉淀物表面吸附的Cl—和F—，然后將沉淀物在高純氬氣氣氛爐內(nèi)進(jìn)行焙燒，焙燒溫度為450?600°C，保溫時間為I?2h，待其冷卻后即得到銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，其特征在于:所述沉淀劑為低級脂肪酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，其特征在于:所述沉淀劑為丙酸或丁酸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，其特征在于:所述黑色納米氧化鈦粉體為20?30nm的近球形顆粒組成的納米球。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉的制備方法，將Ti4+溶液與Ti3+溶液混合而得到原料液；然后在所述原料液中加入沉淀劑、于pH值為5～7條件下攪拌反應(yīng)得到沉淀物；將所述沉淀物過濾、清洗后進(jìn)行焙燒，即得到銳鈦礦黑色納米氧化鈦粉。本發(fā)明所制得的黑色納米氧化鈦粉產(chǎn)品為純銳鈦礦相，其Ti3+含量具有良好的可控性。本發(fā)明制備方法不僅大幅度降低了生產(chǎn)成本，而且制備工藝簡單、過程快捷，可批量化生產(chǎn)，易于產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)，能夠有效滿足對黑色納米氧化鈦的生產(chǎn)及使用需求。
【IPC分類】C01G23-053, C01G23-08, B01J21-06
【公開號】CN104843780
【申請?zhí)枴緾N201510216852
【發(fā)明人】趙學(xué)國, 王艷香, 黃麗群, 楊志勝, 郭平春
【申請人】景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月30日