[发明专利]氧化锌包覆氧化钛的纳米粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种功能陶瓷材料，尤其是一种同时具备高光催化效率和高耐温性的氧化锌包覆氧化钛的纳米粉体及其制备方法。

背景技术

纳米氧化钛半导体光催化技术作为一种新型的环境污染物削减技术已经引起了广泛的关注。由于纳米钛系光催化抗菌陶瓷抗菌效率高、抗菌持久、无毒健康、环境友好，因此近年来成为各国研究的热点。

研究表明，氧化钛具有三种同质异构体：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型，其中只有锐钛矿型的氧化钛具有明显的光催化特性和杀菌特性。然而一般锐钛矿型氧化钛带隙较宽(3.2eV)，只能吸收仅占太阳辐射7％的紫外区的能量，光量子效率低，即太阳能利用率低，且不利于室内使用；另一方面，在较高温度下(550～700℃，取决于具体形貌和制备方法)锐钛矿型的氧化钛会迅速地转化为金红石型结构的氧化钛，其光催化效率随之急剧降低。因此一般纳米氧化钛抗菌陶瓷的耐温性较低，导致在制备过程中的烧结温度较低，引起致密度和硬度较低，作为釉料与基体陶瓷结合力较弱，易脱落，不能在高温下使用，从而严重限制了其应用和推广。

为了克服上述两个方面的缺陷，人们采用多种方法对钛矿型氧化钛进行改性，例如选用多种离子进行掺杂处理以减小带隙，使得有效吸收范围扩展至可见光区，从而提高太阳能利用率；而且离子掺杂也会影响其锐钛矿-金红石矿晶型转变温度，但总的来说，仅靠离子掺杂对纳米氧化钛耐温性能的改善作用非常有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中氧化钛的光催化效率低耐温性较低的缺点，通过掺杂氮和包覆氧化锌相结合的方式提供一种氧化锌包覆氧化钛的纳米粉体及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种氧化锌包覆氧化钛的纳米粉体其包括氧化锌的包覆层和氧化钛的纳米粒子；还包括钛氧锌复合相的过渡层，所述过渡层位于包覆层与纳米粒子之间；所述氧化钛的纳米粒子中包含摩尔含量为0.1～50％的氮；所述包覆层中的氧化锌与所述纳米粒子中的氧化钛的摩尔比为0.05～0.3∶1。

上述技术方案中在氧化钛的纳米粒子与氧化锌的包覆层之间存在钛氧锌复合相的过渡层，所述钛氧锌复合相的Ti-O-Zn键会阻止TiO₂晶粒长大，促进晶格畸变，使复合粉体活性有所提高；同时该过渡层的存在使得氧化钛纳米粒子与氧化锌包覆层之间形成化学键合，结合力大，有利于复合粉体在高温煅烧下依然保持较高的光催化活性。而现有技术中尚未有这种过渡层的报道。

所述的氧化锌包覆氧化钛的纳米粉体的制备方法，按照下述步骤进行：

①准备摩尔数比为2.5∶1～7.5∶1的钛酸四丁酯和尿素，所述钛酸四丁酯的体积为V1mL；准备摩尔比为1∶10～1∶20的冰醋酸与无水乙醇的混合溶液，所述冰醋酸的体积为V2mL；体积为V3mL的蒸馏水；其中，V1∶V2∶V3为2.5～7.5∶1∶1～2；准备饱和的可溶锌盐溶液，其中Zn²⁺与钛酸四丁酯的摩尔比为0.05～0.3∶1；

②用无水乙醇将步骤①中所述的尿素溶解，在搅拌下加入步骤①所述的冰醋酸与无水乙醇的混合溶液，用质量浓度为98％的硝酸调节pH值为2，搅拌0.5～1h；然后在快速搅拌下缓慢滴入V1mL的钛酸四丁酯，搅拌1～5h；再在快速搅拌下，缓慢滴入V3mL的蒸馏水，得溶液A；

③将步骤②所得溶液A在室温下搅拌3～5小时，形成透明的凝胶，密闭陈化1-7天；然后依次在80℃和120℃分别干燥1～5小时；冷却后研磨；然后在400～600℃下保温1～5h，得粉末B；

④调节所述可溶锌盐溶液的pH至4.5～6.5，加入步骤③中所得的粉末B，滴入2～3滴分散剂，然后超声10～30min、搅拌10～30min；缓慢滴入氨-铵混合溶液调节pH至6.5～8.5，搅拌30～60min，析出氧化锌包覆氧化钛的前躯体；

⑤过滤所述前驱体，并用无水乙醇浸泡、洗滤，然后将所得的前驱体以5～10℃/分钟的升温速度至800～1050℃下保温1～3h，自然冷却，研磨，得含有过渡层的氧化锌包覆氧化钛的纳米粉体。

上述技术方案中，主要的创新之处是采用两步法将引入氮源与包覆氧化锌结合起来，从而使得所得纳米粉体的光催化性能和耐温性能同时得到大幅提高。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明制备的陶瓷材料同时具备较高的光催化效率和较高的耐温性，可作为新型安全高性能抗菌陶瓷材料应用于室内外工业和民用场合。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。