[发明专利]中孔二氧化钛纳米颗粒及其制备方法

说明书

发明背景

本公开和要求保护的发明构思总体上涉及中孔二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒，更具体地，涉及一种新型TiO₂纳米颗粒，其粒度高度均匀并且含有中孔尺寸范围内的通常均匀的颗粒内孔。

多孔纳米颗粒，特别是具有轮廓分明的孔和狭窄的孔尺寸分布的那些，在催化中、作为催化剂载体、吸附剂、在光学中、光伏和分离用过滤材料具有高应用潜力。控制颗粒微结构可以控制物理和电子性能，这又产生新的功能化材料。

美国专利申请公布2006/0110316和2011/0171533分别涉及中孔金属氧化物和中孔钛氧化物，该中孔钛氧化物可以通过沉淀离子成孔剂和金属(即钛)水合氧化物的配混物来制备，该配混物包含钛起始材料、碱和溶剂，其中该钛起始材料或溶剂或者二者是离子成孔剂的阴离子源，该碱是离子成孔剂的阳离子源。将离子成孔剂从沉淀物中除去，回收中孔钛氧化物。但是，需要制备TiO₂纳米颗粒的方法，该TiO₂纳米颗粒表现出一致的颗粒形态、均匀的粒度、球形，并且其含有中孔尺寸范围内的均匀颗粒内孔。

发明概述

本公开和要求保护的发明构思涉及尺寸为约20nm至约100nm的大致均匀的球形纳米颗粒形式的钛氧化物即TiO₂，其中每个颗粒包含大致均匀的颗粒内中孔，其具有以约2nm至约12nm之间的值为中心的基本上均匀的孔尺寸分布。在优选的实施方案中，TiO₂纳米颗粒大致为尺寸50nm左右的球形，并且呈现出以约6nm为中心的颗粒内中孔。

TiO₂纳米颗粒是纳米颗粒呈现出双峰孔尺寸分布的粉末材料。一个峰来自于上述颗粒内孔即各纳米颗粒内的孔。另一个峰源于纳米颗粒的堆积布置即空隙间孔，其具有以约15nm至约80nm之间为中心的基本上均匀的孔尺寸分布。在优选的实施方案中，由这种纳米颗粒形成的TiO₂粉末材料具有以约35nm为中心的基本上均匀的颗粒间孔尺寸分布。

根据本公开或要求保护的发明构思的TiO₂纳米颗粒通过以下来制备：

(i)在有机酸存在下，以0.02至0.2的酸与钛摩尔比、0.5至1.5摩尔/升的浓度，形成水溶性钛化合物的水溶液；

(ii)将该水溶液加热至70℃至80℃范围内的温度并将该温度保持1小时至3小时，然后将该水溶液加热至100℃至回流温度范围内的温度并将该温度保持另外2小时至4小时；

(iii)将该溶液冷却至室温或环境温度即25℃左右的温度，并分离反应产物。

本发明的方法能够为这种TiO₂纳米颗粒产生一致均匀的粒度，其能够被控制在约20nm至约100nm的尺寸范围内。颗粒内中孔呈现出以约2nm至约12nm之间的值为中心的狭窄的孔尺寸分布。这种纳米颗粒的粉末材料还呈现出基本上均匀的颗粒间孔，其具有以约15nm至约80nm之间为中心的孔尺寸分布。借助在这种纳米颗粒产品之一上的N₂吸附(BET)而进行孔尺寸分布测量揭示出该材料具有两种中孔。一种中孔即颗粒内中孔以约6nm为中心，通过SEM也观察到这一点。另一种孔以约35nm为中心，据信这些是由各纳米颗粒的堆积布置产生的颗粒间孔。根据所述和所要求保护的发明构思制备的纳米颗粒材料通过N₂吸附(BJH)测量具有0.2至0.6cm³/g的孔体积。

附图说明

图1A和1B描述了根据本文所述的发明构思制备的中孔TiO₂纳米颗粒样品的扫描电镜(SEM)图像。

图2是根据实施例1所述的发明构思制备的TiO₂纳米颗粒的孔尺寸分布图。

图3是根据实施例2所述的发明构思制备的TiO₂纳米颗粒的孔尺寸分布图，其中第一样品在200℃的温度处理，第二样品在300℃的温度处理。

图4是根据实施例3所述的发明构思制备的TiO₂纳米颗粒的孔尺寸分布图。

图5是根据实施例4所述的发明构思制备的TiO₂纳米颗粒的孔尺寸分布图。

发明详述