[发明专利]尺寸和形貌可控的单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机半导体纳米及亚微米材料制备领域，特别涉及几十纳米至亚微米的尺寸和形貌可控的、单分散的、球形介孔二氧化钛胶体颗粒的制备方法。

背景技术

二氧化钛俗称钛白，是研究较多的高功能精细无机材料，是重要的陶瓷、半导体及催化材料，由于纳米及介孔二氧化钛具有很高的比表面积，良好的耐候性、耐化学腐蚀性、较高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、光活性等独特性能，所以被广泛应用于化工、电子、生物、涂料、传感器、介电材料、塑料、油墨、造纸、化纤、橡胶、分离等领域，例如：

(1)TiO₂是很好的光催化剂，尤其是当它们具有介孔结构及纳米尺寸时，由于比表面积增大，表面的键态与颗粒内部的不同，表面原子配位不足等，形成凹凸不平的原子台阶，加大了反应接触面，导致表面的活性位置增多，反应活性大大增加。

(2)介孔TiO₂具有大的比表面积及良好的热稳定性，因此可以做为载体，负载各种类型金属纳米颗粒，如纳米金、铂等，这种复合材料的协同光催化活性大大提高，目前这方面研究是一个热点。

(3)另外由于具有介孔结构的球形TiO₂具有良好的吸附性能，将这种具有介孔结构的球形TiO₂胶体颗粒涂膜，然后负载不同尺寸的纳米银和金属颗粒，形成多彩光致变色膜，在宝石组装，变色玻璃，彩色复印纸、光学记忆器件等方面具有巨大的应用前景。

(4)此外，由于TiO₂具有高折射率，因此单分散球形TiO₂胶体颗粒包括具有介孔结构的球形颗粒是光子晶体与胶体晶体研究中最佳候选材料。

基于研究与应用的要求，尤其是满足在光电器件组装，如：电子纸、平板显示器、光子晶体与胶体晶体组装器件及均匀涂膜等方面的要求，具有介孔结构的球形胶体颗粒粒径应该分布窄，形貌均一，制备过程要尽可能的简单易行。目前文献上制备单分散球形介孔TiO₂胶体颗粒的方法主要是以介孔碳球及介孔SiO₂球为模板，以钛酸酯为原料，将其渗入到介孔碳球模板中水解，然后去除模板制得，例如Yi Tang等采用这种方法制备了介孔金属氧化物球(参见文献“General synthesis of mesoporous spheres of metal ofoxides and phosphates”，J.Am.Chem.Soc.，2003年第125期4976～4977页)，这种方法缺点是比较复杂费时。另外Yunxia Zhang等通过在醇体系中引入表面活性直接制备出介孔TiO₂胶体颗粒(参见文献“The formation ofmesoporous TiO₂ spheres via a facie chemical process”，J.Phys.Chem.B，2005年109卷5478～5481页)，但以上方法所得颗粒的单分散性差，形貌尺寸不易控制。

发明内容

本发明的主要目的是克服以上方法的缺点，提供一种尺寸和形貌可控的单分散球形介孔TiO₂胶体颗粒的制备方法，所得介孔TiO₂胶体颗粒的粒径范围在20～2000纳米，颗粒尺寸分布平均偏差小于10％，颗粒比表面积介于50～1000m²/g。

本发明采用共聚物球为模板，通过溶胀渗透方法，首次成功制备出了单分散的球形介孔TiO₂胶体颗粒。

本发明的目的是通过下面的技术方案实现的：

在室温条件下的混合溶剂体系中，在共聚物微球[苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球(PSMMA)]表面形成二氧化钛包覆层，然后将所得包覆颗粒用混合溶液溶胀渗透处理，得到聚合物/二氧化钛复合物颗粒，再将这种复合物颗粒烧结得到单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒。

本发明的制备方法包括以下步骤：

(1)将无水乙醇和极性溶剂按1:15～15:1的体积比例混合均匀；

(2)将钛酸酯[Ti(OR)₄]溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，其中钛酸酯的初始浓度为1×10^-4～5摩尔/升；优选为5×10^-4～1.5摩尔/升；