[发明专利]一种制备多孔中空二氧化钛纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明属于静电纺丝技术领域，尤其涉及一种制备二氧化钛纳米管的方法。

背景技术

静电纺丝方法具有设备简单、制备过程易控，可以被广泛运用于制备一维纳米材料，更为重要的是可以实现大规模制备与生产，多年来引起了研究者们极大的兴趣。

与实心二氧化钛纳米纤维相比，中空二氧化钛纳米管在催化、分离、传感、电化学性能等方面具有许多独特的优势。因此，中空二氧化钛纳米管的制备具有重要的意义。目前，中空二氧化钛纳米管的制备通常采用同轴静电纺丝的方法。

采用同轴的方法虽然能够制备直径较小的中空纤维，但是在实际制备过程中很难形成稳定的同轴泰勒锥，并且虽然理论上成立，但在实际的出丝过程中存在严重的不确定性和不稳定性。因此，同轴静电纺丝制备中空二氧化钛纳米管的方法很难进行产业化应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种结合不溶两相自分离原理和单轴静电纺丝技术的制备多孔中空二氧化钛纳米管的方法，该方法操作简便、反应条件温和、易于规模化生产，通过该方法制备的二氧化钛纳米管具有明显的中空结构和较高的比表面积。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种制备多孔中空二氧化钛纳米管的方法，包括以下步骤：

(1)、搅拌下将高分子纺丝载体、分离相、分离相助溶剂以及二氧化钛前驱体溶于溶剂中形成纺丝溶液；

(2)、将步骤(1)所得纺丝溶液通过单轴静电纺丝装置进行静电纺丝，得到纳米纤维；

(3)、将步骤(2)所得纳米纤维进行陈化，然后萃取得到中空纳米纤维；

(4)、将步骤(3)所得中空纳米纤维进行煅烧，即得所述多孔中空二氧化钛纳米管。

通过单轴静电纺丝方法将纺丝溶液进行纺丝得到纳米纤维，然后将纳米纤维进行陈化，在陈化过程中，分离相不断地向纳米纤维的中部迁移，最终聚集在纳米纤维的中部，形成外层为高分子纺丝载体，内层为分离相的结构；再经过萃取将聚集在纳米纤维中部的分离相萃取出来得到中空纳米纤维，然后将该中空纳米纤维煅烧后即得到多孔中空二氧化钛纳米管。本发明在纺丝溶液中加入分离相及分离相助溶剂，并采用单轴静电纺丝工艺，将不溶两相自分离原理与单轴静电纺丝技术相结合，简化了操作，条件更为温和，减小了纺丝过程中对外界条件的敏感性，出丝稳定，不易出现针头堵塞现象，更加有利于进行工业化生产；除此之外，通过本发明的方法制备出的二氧化钛纳米管具有较高的比表面积，且为多孔结构，在光催化及电化学领域具有重要的应用前景。

上述的方法，优选的，所述步骤(1)中，搅拌下还加入有防水解剂以制备纺丝溶液。

更优选的，所述步骤(1)中，防水解剂为冰醋酸、甲酸、辛酸、草酸和苯甲酸中的一种或几种。防水解剂的加入能够有效地防止二氧化钛前驱体(如钛酸四丁脂)的水解，保证纺丝液的纺丝质量，确保纺丝过程中出丝的稳定性。防水解剂中含有羧基，羧基的引入会与水解后的二氧化钛前驱体中的羟基再次聚合反应生成酯，这样即可以达到抑制二氧化钛前驱体水解的效果。钛酸四丁脂水解过程的化学方程式如下式(1)-(4)：

(1)：Ti(O-Bu)₄+H₂O→Ti(O-Bu)₃(OH)+C₄H₉OH

(2)：Ti(O-Bu)₃(OH)+H₂O→Ti(O-Bu)₂(OH)₂+C₄H₉OH

(3)：Ti(O-Bu)₂(OH)₂+H₂O→Ti(O—Bu)(OH)₃+C₄H₉OH

(4)：Ti(O-Bu)(OH)₃+H₂O→Ti(OH)₄+C₄H₉OH

上述的方法，优选的，所述步骤(1)中，搅拌下将高分子纺丝载体、防水解剂、分离相、分离相助溶剂以及二氧化钛前驱体溶于溶剂中形成纺丝溶液具体包括以下步骤：

(1.1)、搅拌下将高分子纺丝载体溶于溶剂中，配制成高分子纺丝载体质量分数为5-20％的均匀溶液；