一种钛掺杂硅基复合气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术属于新材料领域，特别涉及一种钛掺杂硅基复合气凝胶的制备方法。本发明专利技术以钛酸钾为钛源，通过离子交换、溶胶-凝胶法和常压干燥生产性能优异的钛掺杂硅基复合气凝胶材料，主要包括（1）钛酸盐的离子交换过程和正硅酸四乙酯的溶胶-凝胶过程；（2）钛掺杂硅基湿凝胶的制备；（3）钛掺杂硅基湿凝胶的改性；（4）钛掺杂硅基气凝胶的常压干燥。该方法工艺简单、成本低廉，易于规模化生产，得到的钛掺杂硅基气凝胶光催化剂具有纳米结构、比表面积大、孔洞率高、结构牢固等特点，且具备疏水性能，可用于空气净化、污水处理等领域，且便于分离和回收，适合大规模环境污染处理。?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新材料制备
，特别涉及一种钛掺杂硅基复合气凝胶的制备方法。
技术介绍
目前，TiO2-SiO2双元气凝胶的合成通常采用其醇盐，但因为钛醇盐极易水解，使得合成过程较为复杂，反应过程难以控制，生产成本过高；申请号为200310109507.2的专利报道了以廉价的工业硫酸氧钛和硅溶胶为原料，釆用乳液反应法，通过在微乳液中的溶胶-凝胶过程和常压干燥方法制备TiO2-SiO2气凝胶微球；申请号为200810011646.4的专利提供了一种高孔容的TiO2-SiO2复合气凝胶，利用常压干燥技术制备这种气凝胶的方法；申请号为200810150216.0的专利采用溶胶凝胶法，先分别制得SiO2溶胶和TiCl4溶胶，再将二者按一定比例混合，得到混合溶胶，经縮聚反应，得到TiO2-SiO2复合醇凝胶，干燥后便制得TiO2-SiO2复合气凝胶。以上专利，通常采用溶胶—凝胶法分别获得钛和硅的单一溶胶，再经混合后获得复合溶胶，最后在抵消或降低表面张力的条件下去除结构中溶剂获得复合气凝胶，但因不同组分原料的水解缩聚速率大不相同，如钛醇盐极易水解，而硅醇盐的水解缩聚速率相对稳定，使得混合时间选择较为复杂，反应过程难以控制，生产成本过高、不便于工业化生产。本专利技术以易控钛源(钛酸钾)为钛源，通过离子交换、溶胶-凝胶法和常压干燥生产性能优异的钛掺杂硅基复合气凝胶材料，该方法工艺简单、成本低廉，易于规模化生产。本专利技术得到的钛掺杂硅基气凝胶光催化剂具有纳米结构、比表面积大、孔洞率高、结构牢固等特点，且具备疏水性能，可用于空气净化、污水处理等领域，且便于分离和回收，适合大规模环境污染处理。本专利技术采用离子交换法、溶胶-凝胶法和常压干燥技术，制备出比表面可控的钛掺杂硅基复合气凝胶材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于公开一种以钛酸钾为钛源的钛掺杂硅基复合气凝胶的方法。本专利技术是通过如下技术实现的，钛掺杂硅基复合气凝胶的制备方法，依次包括如下步骤：（1）钛酸盐的离子交换过程和正硅酸四乙酯的溶胶-凝胶过程；（2）钛掺杂硅基湿凝胶的制备；（3）钛掺杂硅基湿凝胶的改性；（4）钛掺杂硅基气凝胶的常压干燥；其中，钛酸盐通常为六钛酸钾等，在酸性条件下离子交换后制得Ti(OH)4溶胶，伴随同一体系条件下硅酯的水解和缩聚过程，一步法制得钛掺杂硅基湿凝胶。（1）按比例将正硅酸乙酯溶解于无水乙醇中，然后加入草酸溶液得到混合溶液；添加六钛酸钾晶须至上述混合溶液中，超声后50 ~ 60℃水浴搅拌12h；搅拌结束后，用氨水溶液调节混合溶胶pH值到中性，转移溶胶后，静置到溶胶变为凝胶，湿凝胶形成；（2）将步骤（1）中制备好的湿凝胶依次浸泡于无水乙醇、正己烷溶液中，确保溶剂交换彻底和加固凝胶骨架； （3）将步骤（2）处理过的湿凝胶，浸泡于体积比为1:1的三甲基氯硅烷和正己烷的混合改性溶液中进行改性；（4）将步骤（3）中改性后的湿凝胶浸泡在正己烷溶液中交换凝胶中未反应的表面修饰剂三甲基氯硅烷；（5）将步骤（4）得到的的钛掺杂硅基湿凝胶进行常压干燥，即得到钛掺杂硅基气凝胶。所述步骤（1）中，正硅酸乙酯、无水乙醇和草酸溶液的体积比为5：6：1，每24ml混合溶液加入的六钛酸钾晶须质量为0.045g~ 0.36g，草酸溶液的浓度为0.008 mol/L；静置时间为5-10min。所述步骤（2）中，浸泡温度为40 ~ 50 ℃，在无水乙醇、正己烷溶液中分别浸泡3次，每次浸泡时间为12 ~ 36h。所述步骤（3）中，湿凝胶与改性溶液的体积比为1:0.3 ~ 1:0.6，改性温度为25 ℃ ~ 30 ℃，时间为6 h~ 12h。所述步骤（4）中，湿凝胶浸泡在正己烷溶液中1 ~ 2次，每次12小时。所述步骤（5）中，干燥温度为60 ~ 80 ℃，干燥时间为24 h。本专利技术具有以下优点：1.本专利技术工艺简单、节能环保、重现性好，符合环境要求，制备的钛掺杂硅基复合气凝胶具有显著的光催化效应。2.通过本专利技术制备的钛掺杂硅基气凝胶的结构可控，经测试分析表明，以六钛酸钾晶须为钛源的钛掺杂硅基气凝胶比表面在103.52 m2/g~ 628.52 m2/g之间。附图说明图1为本专利技术实施例1 ~ 3所制备的钛掺杂硅基气凝胶的氮气吸附-脱附等温线。图2为本专利技术实施1例所制备的0.5wt%钛掺杂硅基气凝胶的透射电镜照片。图3为本专利技术实施2例所制备的1wt%钛掺杂硅基气凝胶的透射电镜照片。图4为本专利技术实施3例所制备的2wt%钛掺杂硅基气凝胶的透射电镜照片。图5为本专利技术实施3例所制备的2wt%钛掺杂硅基气凝胶的X射线能量色散谱图。图6为本专利技术实施1 ~ 3所制备的不同含量钛掺杂硅基气凝胶的光催化降解罗丹明B染料的效率变化曲线。具体实施方式下面结合具体实施实例对本专利技术做进一步说明。实施例1分别量取正硅酸乙酯10 ml、无水乙醇12 ml和草酸溶液(0.008 mol/l) 2ml，混合后，称取0.045 g六钛酸钾晶须（K2Ti6O13），加入到以上混合溶液中，超声30分钟后在55 ℃水浴条件下，搅拌12小时；向其中滴加氨水溶液(0.05 mol/L)，调节Phz至中性，静置到溶胶变为凝胶，得到钛掺杂硅基湿凝胶；在45℃的水浴条件下，向上述钛掺杂硅基湿凝胶中加入20 ml无水乙醇浸泡陈化12 h；交换凝胶中的水3次，每12 h一次；再用20 ml的正己烷交换凝胶中的乙醇3次，每12 h一次；将湿凝胶浸入浸泡于10 ml的三甲基氯硅烷的正己烷溶液(三甲基氯硅烷与正己烷的体积比体积比1:1)，25 ℃下进行表面修饰6 h后，用20 ml的正己烷交换凝胶中未反应的表面修饰剂2次，每12 h一次，将所得凝胶在常压下，60 ℃干燥24 h，最后冷却至室温，得到0.5wt%钛掺杂硅基气凝胶。实施例2分别量取正硅酸乙酯20 ml、无水乙醇24 ml和草酸溶液(0.008 mol/l) 4ml，混合后，称取0.18 g六钛酸钾晶须（K2Ti6O13），加入到以上混合溶液中，超声30分钟后在60℃水浴条件下，搅拌12小时；向其中滴加氨水溶液(0.05 mol/L)，调节pH至中性，静置到溶胶变为凝胶，得到钛掺杂硅基湿凝胶；在50℃的水浴条件下，向上述钛掺杂硅基湿凝胶中加入40 ml无水乙醇浸泡陈化12 h；交换凝胶中的水3次，每12 h一次；再用40 ml的正己烷交换凝胶中的乙醇3次，每12 h一次；将湿凝胶浸入浸泡于20 ml的三甲基氯硅烷的正己烷溶液(三甲基氯硅烷与正己烷的体积比体积比1:1)，30 ℃下进行表面修饰8 h后，用20 ml的正己烷交换凝胶中未反应的表面修饰剂2次，每12 h一次；将所得凝胶在常压下，70℃干燥24 h，最后冷却至室温，得到1wt%钛掺杂硅基气凝胶。实施例3分别量取正硅酸乙酯10 ml、无水乙醇12 ml和草酸溶液(0.008 mol/l) 2ml，混合后，称取0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛掺杂硅基复合气凝胶的制备方法，其特征在于按照如下步骤进行：（1）按比例将正硅酸乙酯溶解于无水乙醇中，然后加入草酸溶液得到混合溶液；添加六钛酸钾晶须至上述混合溶液中，超声后50?~?60℃水浴搅拌12h；搅拌结束后，用氨水溶液调节混合溶胶pH值到中性，转移溶胶后，静置到溶胶变为凝胶，湿凝胶形成；（2）将步骤（1）中制备好的湿凝胶依次浸泡于无水乙醇、正己烷溶液中，确保溶剂交换彻底和加固凝胶骨架；?（3）将步骤（2）处理过的湿凝胶，浸泡于体积比为1:1的三甲基氯硅烷和正己烷的混合改性溶液中进行改性；（4）将步骤（3）中改性后的湿凝胶浸泡在正己烷溶液中交换凝胶中未反应的表面修饰剂三甲基氯硅烷；（5）将步骤（4）得到的的钛掺杂硅基湿凝胶进行常压干燥，即得到钛掺杂硅基气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种钛掺杂硅基复合气凝胶的制备方法，其特征在于按照如下步骤进行：
（1）按比例将正硅酸乙酯溶解于无水乙醇中，然后加入草酸溶液得到混合溶液；添加六钛酸钾晶须至上述混合溶液中，超声后50 ~ 60℃水浴搅拌12h；搅拌结束后，用氨水溶液调节混合溶胶pH值到中性，转移溶胶后，静置到溶胶变为凝胶，湿凝胶形成；
（2）将步骤（1）中制备好的湿凝胶依次浸泡于无水乙醇、正己烷溶液中，确保溶剂交换彻底和加固凝胶骨架； 
（3）将步骤（2）处理过的湿凝胶，浸泡于体积比为1:1的三甲基氯硅烷和正己烷的混合改性溶液中进行改性；
（4）将步骤（3）中改性后的湿凝胶浸泡在正己烷溶液中交换凝胶中未反应的表面修饰剂三甲基氯硅烷；
（5）将步骤（4）得到的的钛掺杂硅基湿凝胶进行常压干燥，即得到钛掺杂硅基气凝胶。
2.如权利要求1所述的一种钛掺杂硅基复合气凝胶的制备方法，其特征在于：
所述步骤（1）中，正硅酸乙酯、无水乙醇和草酸溶液的体积比为5：6：1...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢吉民，魏巍，钱坤，崔恒律，宗瑟凯，丁当仁，朱建军，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：