[发明专利]表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及在空心球表面经过溶胶-凝胶过程处理后定向生长二氧化钛纳米棒的制备方法，以及该方法得到的表面具有光催化性能的二氧化钛纳米棒。

背景技术

自1973年从粉煤灰中提取出空心玻璃微球以来，空心球以其优异的物理化学性能及广阔的应用前景，引起了众多科学家和工程技术人员的研究兴趣。它作为一种新型多功能材料，具有颗粒微细、中空、质轻、耐高温、绝缘、化学性能稳定等特性，已广泛应用于建材、塑料、橡胶、涂料、化学、冶金、航海、航天等领域。

1976年(瑞士)Cary等人研究发现纳米TiO₂在紫外线照射下可使难降解的有机化合物多氯联苯脱氯后，纳米TiO₂由于具有抗化学和光腐蚀、性能稳定、无毒、催化活性高、价廉等优点而备受重视，是一种很有开发前景的环保型催化剂。空心微球的中空、质轻与TiO₂的光催化效果有机结合起来，有望制备能在水面上漂浮的光催化剂，不仅提高光催化活性，充分利用太阳光，而且便于分离再利用，预计可以在水治理方面起到很好的效果，应用前景诱人。

发明内容

本发明的目的之一是提供表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球的制备方法，该制备方法工艺简单、成本低。

本发明的目的之二是提供目的一方法得到的一种质轻，耐腐蚀，具有光催化性能的表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球。

本发明所提供的方法，可制备表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球；通过表面溶胶-凝胶过程在空心微球表面包覆一层TiO₂薄膜，再经过煅烧，水热组装过程，得到表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球。经过测试表明制得的二氧化钛纳米棒定向生长在空心玻璃微球表面，二氧化钛正方形的纳米棒的截面周长60～400纳米，高度为300～800纳米，具有很好的结构特性。

本发明的表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球的制备方法包括以下步骤：

(1)在室温下取17～51克钛酸四丁酯溶于50～200毫升甲苯中，搅拌形成均一溶液；

(2)将0.5～5克空心玻璃微球放入步骤(1)得到的溶液中，搅拌；

(3)将步骤(2)得到的产物过滤出后，先用甲苯洗涤再经水洗涤；

(4)将步骤(3)得到的产物再放入与步骤(1)相同的溶液中，搅拌，再经过滤出后，先用甲苯洗涤后再经水洗；优选用甲苯洗涤后再经水洗的洗涤方式循环2～15次；

(5)将步骤(4)得到的产物在温度为400～700摄氏度煅烧；

(6)将步骤(5)得到的产物放入盐酸水溶液中，其中，质量浓度为37％的盐酸与水的体积比为1∶2～3∶1；加入0.5～5g钛酸四丁酯，转入水热反应釜中密封并在温度为100～200摄氏度下进行水热反应后得到表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球。

所述的空心玻璃微球的粒径为40～100微米。

步骤(1)、步骤(2)及步骤(4)所述搅拌的时间都是5～30分钟。

步骤(2)及步骤(4)所述的搅拌的速率是500～2000转/分。

步骤(5)所述煅烧的时间是2～10小时。

步骤(6)所述水热反应的时间是2～10小时。

所述的钛酸四丁酯的纯度优选不小于98％；所述的甲苯的纯度优选不小于99.5％。

所述的水为电导率18.2MΩ的超纯水。

本发明方法得到的表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球，是在所述的空心玻璃微球表面较为均匀的垂直生长有锐钛矿型二氧化钛纳米棒，并形成紧密有序定向排列的截面为正方形的纳米棒阵列。

所述的正方形的纳米棒的截面周长60～400纳米，高度为300～800纳米；

所述的空心玻璃微球的粒径为40～100微米。

本发明提供的表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球的制备方法，及所得的表面定向生长二氧化钛纳米棒的空心玻璃微球与机理：取钛酸四丁酯溶于甲苯中，加入空心玻璃微球搅拌，目的是空心玻璃微珠表面包覆二氧化钛膜；然后过滤，洗涤，重复2～15次，目的是使二氧化钛膜完全包覆在空心玻璃微球表面；在温度为400～700摄氏度条件下煅烧2～10小时，去除样品中的杂质，使二氧化钛膜成锐钛矿型，最后将得到的样品放入在盐酸(质量浓度为37％)/水(体积比为1∶2～3∶1)溶液中，加入0.5～5g钛酸四丁酯，转入水热反应釜中密封并在温度为100～200摄氏度下进行水热反应2～10小时，将样品洗涤，干燥得到最终产物。