一种制备水合钛酸钠盐及系列钛酸盐纳米管的工艺方法技术

一种合成水合钛酸钠盐及系列钛酸盐纳米管的方法，涉及钛酸盐及其纳米材料的制备。该方法是以二氧化钛或偏钛酸为原料，采用水热反应，合成水合钛酸钠盐纳米管。该水合钛酸钠盐纳米管在单一金属离子或按比例混合的两种金属离子的溶液中充分混合扩散，可转化为该金属离子的水合钛酸盐或水合复合钛酸盐的纳米管。所得水合钛酸盐或水合复合钛酸盐的纳米管加热脱水可转化为相应钛酸盐或复合钛酸盐的纳米管。本方法利用简单的工艺制备出了多种单一金属及其复合金属的钛酸盐纳米管，产品形貌均一，克服了烧结法制备工艺造成的颗粒大，形貌不可控的缺点；产品具有比表面积大，热稳定性好，催化性能可调节的特点，可望在催化领域得到广泛应用。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一系列钛酸盐及水合钛酸盐(包括钛酸盐、水合钛酸盐，复合钛酸盐及水合复合钛酸盐)纳米管的制备方法，属于无机材料制备工艺
现有钛酸钠盐的制备通常选择加热碳酸钠(或硝酸钠、草酸钠)与二氧化钛混合物的方法，例如Na2Ti7O15(Acta Crystalgr.B，24卷，392页，1968年)的制备。《固态化学》(Journalof Solid State Chemistry，28卷，397页，1979年)曾报道了采用水热反应制备Na2Ti9O19晶须的方法。但是需要400℃以上的高温。近年来，一系列新型钛酸盐材料，如AxTi2-x/3Lix/3O4(A＝K，Rb，Cs)(材料化学，Chemistryof Materials，1998年，10卷，4123页)，Na1-x+yCax/2LaTiO4(美国化学会志，J.Am.Chem.Soc.1998年，120卷，217页)于近期被报道，但是所采用的仍然是传统的烧结法，所制备的材料以微米尺度的无规则粉体和块体材料为主。溶胶一凝胶法与模板法联用制备钛酸钡、钛酸锶的纳米管的技术最近也被报道，但是生产工艺复杂，产量有很大的限制，而且纳米管的管壁多是非晶或半晶(材料化学，Chemistry of Materials，2002年，14卷，480-482 )，这限制了它们在催化等方面的应用。溶胶—凝胶法多采用有机钛氧化合物(钛酸酯)作为原料，价格比较昂贵。而生产二氧化钛的中间产品偏钛酸则被人们所忽略。本专利技术利用廉价的偏钛酸和工业产钛酸盐纳米粉制备出均一的钛酸盐纳米管。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的一种合成水合钛酸钠盐纳米管的方法，该方法以二氧化钛或偏钛酸为原料，该方法如下步骤进行(1)将二氧化钛或偏钛酸与3-15摩尔/升的NaOH溶液混合，放入密闭容器中，水热60℃-300℃，时间为3小时到8天，产品经去离子水洗涤，可得水合钛酸钠盐的纳米管，产品分子式可表征为NaxH2-xTi2O5·H2O(x＝0.1-1) 一种合成钛酸盐纳米管的方法，该方法以二氧化钛或偏钛酸为原料，其工艺步骤如下(1)将二氧化钛或偏钛酸与3-15摩尔/升的NaOH溶液的比例混合，放入密闭容器中，水热60℃-300℃，时间为3小时到8天，产品经去离子水洗涤，可得水合钛酸钠盐的纳米管；(2)以Co2+、Ni2+、Cu2+、Ag+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pd2+、Rh2+、Pt2+、Fe2+、Li+、K+、Ru+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Tl+、Pb2+、Bi3+或Fe3+离子的可溶性盐为原料，根据不同的溶解度，配成澄清透明的醇、水或氨水的溶液；(3)将步骤(1)制得的水合钛酸钠盐的纳米管在步骤(2)配成的金属离子的溶液中充分混合并扩散，即可得到以Co2+、Ni2+、Cu2+、Ag+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pd2+、Rh2+、Pt2+、Fe2+、Li+、K+、Ru+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Tl+、Pb2+、Bi3+或Fe3+离子取代的水合钛酸盐纳米管；(4)将步骤(1)、(3)所得水合钛酸盐的纳米管在100℃～550℃烘干，可分别制得钛酸钠盐纳米管和步骤(3)中所述离子的钛酸盐纳米管。一种合成复合钛酸盐纳米管的方法，以二氧化钛或偏钛酸为原料，该方法按如下步骤进行(1)将二氧化钛或偏钛酸与3-15摩尔/升的NaOH溶液混合，放入密闭容器中，水热60-300℃，时间为3小时到8天。产品经去离子水洗涤，可得水合钛酸钠盐的纳米管；(2)以Co2+、Ni2+、Cu2+、Ag+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pd2+、Rh2+、Pt2+、Fe2+、Li+、K+、Ru+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Tl+、Pb2+、Bi3+或Fe3+离子的可溶性盐为原料，根据不同的溶解度，配成澄清透明的醇、水或氨水的溶液；(3)将步骤(2)中所述的其中两种离子溶液按比例1∶10～10∶1混合，形成均一的溶液；(4)将步骤(1)中制备出的水合钛酸钠盐的纳米管在步骤(3)中形成的溶液中充分混合并扩散，可制得两种离子的复合水合钛酸盐的纳米管；(5)将步骤(4)中制备的复合水合钛酸盐的纳米管在100℃～550℃烘干，即可制得复合钛酸盐纳米管。本专利技术采用廉价的工业二氧化钛产品及二氧化钛的工业生产的中间体偏钛酸为原料，采用水热的方法，制备出了大量均一的水合钛酸钠盐纳米管。这一过程充分利用了它们作为酸酐和固体酸的性质。根据钛酸盐的离子交换特性，该纳米管具有离子交换性，由此可以转化为其他各种金属及复合金属的水合钛酸盐的纳米管。结合水合钛酸盐的脱水特性，本钛酸盐纳米管中的吸附水和结构水可在中低温条件下加热脱去，从而生成各种金属及复合金属的钛酸盐纳米管。本方法利用简单的工艺制备出了多种金属及其复合金属的钛酸盐纳米管，产品形貌均一，克服了烧结法制备工艺造成的颗粒大，形貌不可控的缺点；由于产品为纳米管，属于多孔材料，具有比表面积大的特点；结合钛酸盐本身的催化特性，该产品可望在催化领域得到大量广泛应用；产品热稳定性与介孔材料相比有较大提高；由于多种过渡金属离子和主族金属离子均可取代其中的钠离子和质子，这意味着其催化性能可在较大范围内调整；同时也有可能在气敏(湿敏)传感器上得到应用；产品可以进一步烧结成为钛酸盐功能陶瓷材料，也可以直接用作催化剂。采用水热的方法，大大降低了加热温度，从而降低了能耗和生产成本；设备简单，具有生产易于放大的优点。图2为附图说明图1所示的水合钛酸钠盐纳米管的高分辨透射电子显微镜图。图3为图1所示的水合钛酸钠盐纳米管的粉末X射线衍射图。图4为图1所示的水合钛酸钠盐纳米管的红外振动图。图5为水合钛酸钠盐纳米管在Co2+，Ni2+，Cu2+，Ag+，Zn2+，Cd2+的氨水溶液中离子取代得到的水合钛酸盐的粉末X射线衍射图。(图中所标为取代离子)(实施例4)图6为图5中所提到的金属Co2+离子取代的水合钛酸盐纳米管的高分辨透射电子显微镜图。图7为图5中所提到的金属Co2+离子取代Na+后所形成的水合钛酸盐的EDS成分分析图。(图中所标为Co和Ti元素) 本专利技术的制备工艺包括以下三方面1.以二氧化钛为原料制备水合钛酸钠盐纳米管这种合成水合钛酸钠盐纳米管的方法，充分利用二氧化钛作为酸酐的性质，以水为介质，在NaOH浓溶液中进行反应。工艺步骤将二氧化钛与3-15摩尔/升的NaOH溶液以0.5～3克∶40毫升溶液的比例混合，放入密闭容器中，于60～300℃条件下水热反应3小时到8天，所得产品用去离子水洗涤，烘干可制得水合钛酸钠盐的纳米管。上述反应以化学方程式表示如下(x＝0.1-1)2.以偏钛酸(H2TiO3)为原料制备水合钛酸钠盐纳米管这种合成水合钛酸钠盐纳米管的方法，充分利用偏钛酸的酸性，以水为介质，在NaOH溶液中进行反应。工艺步骤将偏钛酸与3-15摩尔/升的NaOH溶液以0.5～3克∶40毫升溶液的比例混合，放入密闭容器中，于60～100℃条件下加热反应3小时到3天，所得产品用去离子水洗涤，烘干可制得水合钛酸钠盐的纳米管。其化学反应方程式如下(x＝0.1-1)3.以水合钛酸钠盐纳米管为前驱物制备钛酸盐的纳米管(1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合成水合钛酸钠盐纳米管的方法，该方法以二氧化钛或偏钛酸为原料，该方法按如下步骤进行：将二氧化钛或偏钛酸与３－１５摩尔／升的ＮａＯＨ溶液混合，放入密闭容器中，水热６０℃－３００℃，时间为３小时到８天，产品经去离子水洗涤，可得水合钛酸钠盐的纳米管，产品分子式可表征为：Ｎａ↓［ｘ］Ｈ↓［２－ｘ］Ｔｉ↓［２］Ｏ↓［５］.Ｈ↓［２］Ｏ（ｘ＝０．１－１）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚栋，孙晓明，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]