[发明专利]高表面积多孔球状结构的二氧化钛纳米颗粒及制备方法

说明书

本发明属于二氧化钛催化剂技术领域，公开了高表面积多孔球状结构的二氧化钛纳米颗粒及制备方法，该二氧化钛粒径为100～200nm，比表面积为500～510m²/g，由主要由小的二氧化钛纳米颗粒自组装成大的多孔球状立体结构。制备方法是首先分别以钛酸四丁酯为钛源，使用有机酸作为一种表面活性剂，在水热过程中，得到由大量小的二氧化钛纳米颗粒组装成二氧化钛的多孔球状结构。本发明中引入的油酸和正庚酸的引入实现球状结构的自组装形成，多孔球状结构实现对光的多重反射，提高对光的吸收，同时，多孔球状结构，油酸的修饰提高了光催化过程中载流子的分离。使其能够在可见光照射下高效地降解苯酚和罗丹明B。

技术领域

本发明属于二氧化钛催化剂技术领域，涉及一种利用油酸修饰的具有很高表面积的多孔球状结构二氧化钛纳米光催化剂的制备，可用于可见光下光催化降解有机污染物。

背景技术

在现代社会，大量来自工业，交通和家庭用品等的有机化合物，都被释放到大气和河流中，大量有毒化学品的积累导致空气和水污染。因此，设计有效的污染处理系统可以减少污染物排放。据报道，光催化材料可以去除有毒化学物质。特别是二氧化钛(TiO₂)由于其成本低，活性高，稳定性好和无毒性等特点，被认为是环境修复和太阳能转化中优异的固体光催化材料。TiO₂的光催化材料还能够在UV光照下能把大部分有机化合物完全氧化成无毒的二氧化碳和水。

但是，常规TiO₂还存在一些固有的局限性，例如相对短的可见光吸收波长(λ<387nm)，以及光生电子空穴的相对高的复合率。最近的实验室证据表明了TiO₂形态对其光催化活性有影响。多孔球状结构的二氧化钛纳米材料具有较高的光吸收性能，进而使得光催化产氢或者降解能力得到提升。其光吸收能力提高的重要原因便是特殊结构所引起的多重反射效应。对于多孔球状结构，入射光可以在球壳内部多重反射，增强光的吸收。同时，多孔球状结构的二氧化钛往往具有比较高的比表面积，能够提供大量的反应活性位点，缩短载流子的迁移路径，提高分离效率。

目前，制备二氧化钛多孔球状结构主要是基于模板法，该方法能耗比较高。并且传统的模板制备二氧化钛的方法会使合成过程复杂化，并且在高温下模板去除过程中导致结构不稳定甚至塌陷。此外，如果在模板去除过程中没有高温处理，大部分二氧化钛将具有差的孔隙度和结晶度。因此，在不使用任何模板的情况下，合成高比表面积的多孔球状TiO₂仍然是一个挑战。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出了一种绿色简便的合成油酸修饰的高比表面积的多孔球状结构二氧化钛的方法，同时以油酸为形貌控制剂和化学修饰来提高二氧化钛光生载流子的分离效率。该方法能够解决现有的二氧化钛量子效率低的问题。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种高表面积多孔球状结构的二氧化钛纳米颗粒，该二氧化钛纳米颗粒为锐钛矿相的多孔球状，其比表面积为500～510m²/g，粒径为120～180nm，表面由有机酸作为化学基团进行修饰。

进一步地，上述有机酸为油酸或者正庚酸。

上述二氧化钛纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤：

(1)将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中，在室温下搅拌形成溶液A，钛酸四丁酯与无水乙醇的体积比为1:115～119；

(2)把有机酸溶解到溶液A中，同时自室温条件下搅拌形成溶液B；油酸和钛酸四丁酯的体积比为1:3～4；有机酸作为形貌控制剂，控制球状结构的生成，同时作为其表面化学修饰基团；

(3)剧烈搅拌下将去离子水加到溶液B中，继续搅拌0.5h以上，得到白色乳浊液C；其中，去离子水与无水乙醇的体积比为1:1～4；