[发明专利]高畸变结构黑色纳米氧化钛及其制备方法

说明书

高畸变结构黑色纳米氧化钛及其制备方法，物相为金红石相，具有高畸变内核结构；方法为：(1)氧化钛粉体原料置于填装有磨球的旋转高压管式炉内；(2)旋转高压管式炉持续通入混合气体或者为常压惰性气体状态；(3)启动旋转高压管式炉的电机对原料进行球磨，同时升温至300～650℃保温3～120h；(4)停止加热和球磨，温度降至60℃以下后取出。本发明的方法原料廉价易得，采用普通设备，工艺简单，具有大规模工业化生产前景，所制备的产品具有非晶外壳和高畸变内核结构，具有优异的性能。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及高畸变结构黑色纳米氧化钛及其制备方法。

背景技术

随着我国经济飞速发展进步，对能源的消耗量也越来越大，但与之形成鲜明矛盾的是传统能源日趋枯竭，以及传统能源在能量转换过程中所带来的环境污染问题；如何开发出清洁、高效、可再生的新型能源，就成为制约我国社会是否可持续发展的重要因素之一；氧化钛做为一种半导体材料，具有化学性质稳定、无毒无害、光电性能好、生产成本低等优势，被广泛应用在太阳能电池、降解有机污染物、催化制氢等领域；但氧化钛的禁带宽度大于3.0eV，根据半导体光催化原理，氧化钛只有吸收占太阳光谱不足5％的紫外光部分才能发挥其光催化特性，因此氧化钛光催化效率普遍较低。

为提高氧化钛光催化效率，对其进行适当掺杂来降低其禁带宽度，从而扩展其对可见光的响应范围，是一种常用的有效方式；氧化钛自掺杂是通过对氧化钛表面进行加氢处理以在其表面形成大量Ti³⁺，并以Ti³⁺代替原来的Ti⁴⁺从而在其表面形成无序和自掺杂，其外观颜色也由普通氧化钛的白色转变为黑色；表面无序会产生各种能级的中间态，这些中间态能级连续分布并与导带价带边缘重叠，从而降低了氧化钛的禁带宽度，提高了其对可见光的利用率；自从2011年Chen X.B.等在《Science》上首次报道了通过高温氢气还原法制备出高可见光响应黑色纳米氧化钛以来，获得黑色氧化钛的主要途径仍以高温氢气还原法为主，以及一些新方法如：等离子氢化法、铝还原法和二步非金属掺杂法等；这些方法虽然都可以制备出黑色纳米氧化钛，却受限于能耗大、成本高、生产工艺复杂、产率低且质量难以保证等不利因素，而无法实现黑色纳米氧化钛的工业化生产。

综上所述，如何在目前基础上进一步提高黑色纳米氧化钛光催化性能，以及如何寻找出一种更加简单、廉价的生产工艺制备出黑色纳米氧化钛，就成为当前黑色纳米氧化钛研究的一个主要问题。

发明内容

针对现有高催化性能纳米氧化钛制备技术存在的上述问题，本发明提供一种高畸变结构黑色纳米氧化钛及其制备方法，通过氢化复合机械研磨处理，一步制得光电性能良好的高畸变结构黑色纳米氧化钛，适用于工业化生产。

本发明的高畸变结构黑色纳米氧化钛之一的物相为金红石相，粒径50～200nm，外观为黑色，并且具有高畸变内核结构。

本发明的高畸变结构黑色纳米氧化钛之二的物相为金红石相，粒径50～200nm，外观为黑色，并且具有高畸变内核结构且具有非晶外壳。

上述两种高畸变结构黑色纳米氧化钛的纯度99.9％以上。

本发明的高畸变结构黑色纳米氧化钛的制备方法之一按以下步骤进行：

1、采用氧化钛粉体作为原料，将其置于填装有磨球的旋转高压管式炉内；所述的氧化钛粉体为锐钛矿相氧化钛粉体、金红石相氧化钛粉体或两者的混合物；

2、对旋转高压管式炉抽真空至-0.08MPa以下，再持续通入惰性气体至常压，反复进行至少三次排出空气，最后控制旋转高压管式内为常压惰性气体状态；所述的惰性气体为氩气；

3、启动旋转高压管式炉的电机对原料进行球磨，控制球磨时的转速在80～2000rpm；同时将旋转高压管式炉内的物料升温至300～650℃保温3～120h；