[发明专利]一种单分散介孔空心纳米球状二氧化钛及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合微球制备领域，具体涉及一种单分散介孔空心纳米球状二氧化钛的制备方法。

背景技术

  最近几年，随着矿产资源的日益短缺和环境问题的突出，如何利用新能源、减少环境污染是各个国家亟需解决的问题。自从1972年日本东京大学的两位学者桥本和仁(Hashimoto)和藤岛昭(Fujishima)在Nature发表了TiO₂电极在可见光下能够电解水以后，二氧化钛光催化机理的探究和应用成为研究者们的热门课题。经过几十年的研究，二氧化钛被认为是最有应用价值的半导体氧化物，它的应用涉及到传感器、光子晶体、能量储存器和光催化剂等。

在光照条件下，二氧化钛能产生具有氧化还原能力的电子和空穴，电子和空穴转移到催化剂的表面，电子和空穴能把吸附在二氧化钛表面的有机物分解为水和二氧化碳，同其它催化剂相比，二氧化钛光催化活性高，化学稳定性好，低毒。基于这些特点，二氧化钛成为光催化降解水中污染物的理想催化剂。

虽然二氧化钛的催化活性高，但二氧化钛只能利用太阳光中的紫外光，并且二氧化钛产生的电子和空穴复合速度快，因此为了提高二氧化钛空穴和电子的利用率，很多科研工作者用二氧化硅或者PS小球为模板，在小球的外侧包覆二氧化钛，然后煅烧，使由无定型二氧化钛转变成锐钛矿的空心二氧化钛，提高了反应的比表面积。在高温煅烧过程中，虽然二氧化钛转变成锐钛矿的二氧化钛，但由于高温煅烧，造成了二氧化钛小球之间的粘结，不能产生单分散的二氧化钛小球，降低了催化的面积，因此本发明提供了一种单分散介孔空心纳米二氧化钛球的制备方法，制备出了单分散的空心纳米二氧化钛球。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中二氧化钛小球易粘结，提供一种单分散介孔空心纳米球状二氧化钛及其制备方法。本发明在二氧化钛的外侧包覆一层二氧化硅后，然后再在马弗炉中煅烧，不仅使无定型的二氧化钛转变成锐钛矿的二氧化钛，同时使内核聚苯乙烯小球分解得到空心球，之后再通过氢氧化钠把外层的二氧化硅层腐蚀去掉，得到单分散性好的空心纳米球状二氧化钛。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单分散介孔空心纳米球状二氧化钛的制备方法，以苯乙烯单体为原料，以过硫酸钾为引发剂，制得表面带负电荷的聚苯乙烯纳米小球；然后滴加钛酸四丁酯和乙醇的混合溶液，得到聚苯乙烯-TiO₂复合小球；加正硅酸四乙酯在复合小球表面包覆二氧化硅；最后在马弗炉中高温煅烧去除聚苯乙烯，离心洗涤去除二氧化硅制得单分散介孔空心纳米二氧化钛球。

具体包括以下步骤：

（1）聚苯乙烯纳米小球的制备：

室温下，在250mL的三口瓶中加入去离子水、苯乙烯单体，通氮气排除瓶中的空气，磁力搅拌20～40min，将温度逐渐升高至50～90℃；将引发剂过硫酸钾溶解于去离子水中，加热至50～90℃，将该溶液一次性加入三口瓶中；继续反应22～26h，离心干燥得到聚苯乙烯小球；

（2）聚苯乙烯-TiO₂复合小球的制备：

将聚苯乙烯小球和无水乙醇加入到250mL的三口瓶中搅拌20～40min，加入氨水和羟丙基纤维素后，搅拌20～40min；然后缓慢滴加钛酸四丁酯和乙醇的混合溶液，反应0.5～1.5h，得到聚苯乙烯-TiO₂复合小球；

（3）复合小球表面包覆二氧化硅

将（2）所得复合小球分散于聚乙烯基吡咯烷酮水溶液中，静置过夜、离心；将离心所得固体分散于按比例配好的乙醇和水混合溶液中，加入氨水和正硅酸四乙酯，反应2～6h，离心得到表面包覆有二氧化硅的复合小球；

（4）去除聚苯乙烯

  将所得包覆有二氧化硅的复合小球于马弗炉中高温煅烧，去除聚苯乙烯；  （5）去除二氧化硅外壳

将煅烧得到的空心球加入氢氧化钠溶液中反应，离心洗涤，除去外壳，得到空心的单分散的介孔二氧化钛小球。

所述步骤（1）中去离子水与苯乙烯单体的体积比为10: 0.5～1.5，引发剂的质量为苯乙烯单体质量的0.2～0.4%。

所述步骤（2）中聚苯乙烯小球用量为无水乙醇质量的0.01～0.03%，氨水用量为无水乙醇质量的0.2～0.4%，钛酸四丁酯用量为无水乙醇质量的0.3～0.7%，羟丙基纤维素用量为为无水乙醇质量的0.01～0.03%。