[发明专利]一种低温制备高纯纳米级亚氧化钛的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种亚氧化钛的制备方法，尤其涉及一种低温制备高纯纳米级亚氧化钛的方法。

背景技术

亚氧化钛是一系列非化学计量的钛的氧化物，其通式为Ti_nO_2n-1(n＝4～10)。1959年，X射线学家Magnéli首先以锐钛矿型TiO₂为基础对这类物质进行了系统研究。因此，人们将这类物质统称为Magnéli相，简称亚氧化钛。近年来Magnéli相的研究吸引越来越多的研究者关注，尤其是Magnéli相中的Ti₄O₇因具有较强的耐腐蚀性、电化学稳定性以及高导电率等优良性质，在燃烧电池催化剂载体、气敏元件、抗反射膜、光电催化等方面展现出巨大的应用前景。

目前，亚氧化钛通常利用高温烧结法制备，主要的还原剂包括H₂、NH₃、C、Ti、Si、Zr等，高温烧结法的突出问题是材料颗粒在高温烧结过程中长大、粗化现象十分突出，导致材料的性能大大降低，因为材料的颗粒大小、孔隙率、结晶度等直接影响其光学、电磁学以及电化学的特性。为改善材料的形貌特性，科研人员相继开发了激光烧蚀法、溶胶凝胶-烧结法等，在一定程度上实现了对材料形貌和尺寸的控制，降低了还原温度要求，但没有从根本上解决材料制备过程中由于较高的烧结温度导致的颗粒长大问题，表1中列举了部分具有代表性的亚氧化钛制备方法。

表1 Magnéli相亚氧化钛制备工艺

从表1可以看出，亚氧化钛的制备工艺较为复杂，反应温度高、反应时间长，而反应温度、反应时间对亚氧化钛的微观形貌、颗粒大小有决定性的影响，此外，亚氧化钛的物理和化学性能随着精确的亚氧态(n值)明显地发生变化。

制备过程中，亚氧化钛极易受反应条件影响，所以必须精确控制反应条件，以利于生成预期的产物。影响还原程度和产物组分的因素主要包括：反应物组分、还原剂在原料中的分散度、粒径大小、原料密度、反应温度及反应时间等。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本案的目的是提供一种能够在较低温度下制备高纯纳米级亚氧化钛的方法，以期简化制备工艺流程，并实现连续化工业生产。

为实现上述目的，本案通过以下技术方案实现：

一种低温制备高纯纳米级亚氧化钛的方法，其包括：

步骤1)制球：将纳米级金红石型钛白粉、还原剂和润湿剂进行混匀、造球，制得球径2-5cm的球团，再将球团在105℃下进行2-4h烘干处理；球团的球径太大或太小均不利于还原过程的快速、顺利进行；烘干一方面用于提高球团强度，保证在输运过程不易破裂，另一方面防止球团在快速升温过程中由于熔剂瞬间挥发膨胀导致的爆裂；

步骤2)还原：将烘干后的球团置于具有非氧化性气氛的微波回转窑中加热至700-900℃，保温20-60min，反应完成后在还原性气流作用下冷却；还原炉是以微波为热源的炉体，炉型为回转窑，且还原炉只有前部分有加热功能，后部分无加热功能，可以在炉内同时实现加热和冷却两个连续的工序；选用以微波为热源的还原炉可达到快速升温和降温的要求，防止产生由于升温或降温时间过长导致的颗粒长大、粗化现象；加热温度不宜过高或过低，过高容易造成反应产物长大和粗化；过低会造成反应速度减缓，生产效率低下，因此加热温度需要控制在适宜的范围内；保温时间不宜过长或过短，过长易造成反应产物的长大和粗化；过短会造成反应不完全，反应产物不纯净，因此保温时间需要控制在合适的范围内；

步骤3)研磨：将还原后的球团经破碎处理后放入到球磨机中进行研磨，研磨时间20-60min；研磨时间不宜过长或过短，过长会造成能耗增加，生产成本提高，过短会造成研磨不均，颗粒尺寸分布集中度差等，因此研磨时间应优选控制在20-60min；

步骤4)热处理：将研磨后的粉体进行热处理，热处理温度200-400℃，热处理时间2-4h，最终获得高纯纳米级亚氧化钛。热处理的目的是进一步提高其纯净度。

优选的是，所述的低温制备高纯纳米级亚氧化钛的方法，其中，所述金红石型钛白粉的粒径不超过100nm。

优选的是，所述的低温制备高纯纳米级亚氧化钛的方法，其中，所述还原剂选自氨基酸中的至少一种。

优选的是，所述的低温制备高纯纳米级亚氧化钛的方法，其中，所述润湿剂为溶解有所述还原剂的有机溶液或者水溶液，所述润湿剂中还原剂的占比不超过5wt％。