一种蓝色二氧化钛颗粒的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种蓝色二氧化钛颗粒的制备方法，所述方法包括以下步骤：1)去除TiO

A preparation method of blue titanium dioxide particles

【技术实现步骤摘要】
一种蓝色二氧化钛颗粒的制备方法
本专利技术属于纳米材料领域，涉及一种具有可见光响应的蓝色二氧化钛(TiO2)颗粒的制备方法。
技术介绍
TiO2是一种重要的工业无机原料，广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。尤其是作为染料，具有最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被认为是性能最好的一种白色颜料，而且其粘附力强，不易起化学变化，在空气环境中有良好的色泽耐久度。同时，TiO2亦是一种性能优良的直接带隙宽禁带半导体材料，其禁带宽度达到3.0～3.2eV，可以有效的吸收紫外光，在光致反应体系中，如光电催化电极材料，光催化降解有机污染物，光致杀菌，净化空气等方面亦有广泛的应用。然而，TiO2较宽的禁带宽度使其无法有效地吸收可见光(约占太阳光总量的45％)，极大地限制了其应用条件。开发具有可见光响应的TiO2半导体材料是拓展其应用条件的关键技术难题。目前常用的制备具有可见光响应的TiO2半导体材料的方法是元素掺杂和表面还原。前者被认为是调节TiO2光吸收性能最直接有效的方法。在这一方法途径中，通过元素掺杂直接调节TiO2的能带结构，使其可以吸收不同波段的可见光。如Zhu等(Photochem.Photobiol.A180(2006)196)利用Fe元素掺杂TiO2，使其光响应范围拓宽至400-500nm。Zhou等(AppliedCatalysisB:Environmental219(2017)572)利用C-N-S共掺杂TiO2，其光响应范围拓宽至400-700nm，并在近红外区(700-800nm)亦有光吸收性能。然而，元素掺杂的方法引入的元素在TiO2体相或者表面的分布不可控，且会引起TiO2晶格结构的畸变，使得TiO2的缺陷增多，严重影响其物理和化学性能。另一种方法是对TiO2表面进行还原处理。Chen等(Science331(2011)746)利用高温H2进行还原处理，得到黑色TiO2，其对400-700nm的可见光具有良好的吸收性能。Danon等(ACSCatal.2(2012)45)利用H2处理TiO2得到蓝色的TiO2粉末。Zhao等(Chem.Commun.50(2014)2755)利用Zn粉单质处理TiO2亦可得到蓝色的TiO2粉末。Sinhamahapatra等(EnergyEnviron.Sci.8(2015)3539)利用Mg高温蒸汽对TiO2表面进行还原处理，得到黑色TiO2。此外，一些具有还原性能的金属高温蒸汽对TiO2表面亦具有还原处理能力。这些还原方法得到的TiO2在400-700nm的可见光波段中都具有良好的吸收性能。然而，此种方法处理后的TiO2表面，呈现出无序的结构，并且表面有大量的缺陷。利用金属蒸汽还原过程中会引入金属杂质，这对于TiO2物理和化学性能的作用是不利的。综上，现有技术制备的二氧化钛(TiO2)颗粒存在表面缺陷多、杂质含量高且不可控、颗粒表面不均一的问题。因此，当前对制备具有可见光响应的改进的蓝色二氧化钛(TiO2)颗粒的改进的方法存在需求。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是针对现有技术处理TiO2材料中，由于引入元素杂质引起的晶格破坏以及体相或表面产生大量缺陷的不足，提供一种通过快速激光辐照制备具有可见光响应的蓝色TiO2颗粒的方法。本专利技术提供的方法在制备具有可见光响应的蓝色TiO2颗粒时，不仅可以保证不引入其他杂质元素，并且在最大程度上抑制了体相或表面缺陷的产生，维持TiO2颗粒完整的晶体结构，避免了TiO2晶格畸变，并由此可以获得高质量的蓝色TiO2颗粒。本专利技术方法制备的蓝色TiO2不仅具有良好的可见光响应性能(可见光吸收强度提高150％)，同时表现出良好的电输运性能。本专利技术的方法是通过以下技术方案实现的：一方面，本专利技术提供了一种蓝色二氧化钛颗粒的制备方法，所述方法包括以下步骤：1)去除TiO2颗粒的表面杂质；2)将步骤1)处理后的TiO2颗粒进行压片，使压片后的TiO2颗粒表面平整；3)使用脉冲宽度为皮秒或纳秒的快速激光，对步骤2)处理后的TiO2颗粒辐照3-10秒，得到表面原位生长TiO薄膜的TiO2颗粒；4)将步骤3)处理后的TiO2颗粒重新混合均匀后，重复步骤2)和步骤3)，至整个TiO2颗粒蓝色均一，既得。优选地，在步骤1)中，所述TiO2颗粒的晶型为锐钛矿晶型或金红石晶型；优选地，在步骤1)中，所述TiO2颗粒的粒径为5nm-5000nm；更优选地为50nm-2500nm；进一步优选地为50nm-2000nm；更进一步优选地为50nm-1000nm；最优选地为100nm。优选地，在步骤1)中，通过将TiO2颗粒在200-300℃下进行预热处理，去掉表面吸附的杂质，如水分等；优选地，在步骤1)中，所述预热处理在马弗炉或管式炉中进行，更优选地，所述预热处理在惰性气体的保护下进行；优选地，在步骤2)中，所述TiO2颗粒的表面平整度为0.1mm-0.5mm。优选地，在步骤2)中，所述压片操作的衬底选自石英玻璃衬底；优选地，在步骤3)中，所述快速激光的光源波长为355nm-1700nm，优选地为500nm-1500nm；更优选地为800nm-1200nm；最优选地为1064nm。优选地，在步骤3)中，所述快速激光的光源功率为1W-1000W，优选地为1W-500W；更优选地为1W-100W；进一步优选地为1W-50W；最优选地为1W-20W；优选地，在步骤3)中，所述辐照使用的激光脉冲宽度为1皮秒-1000纳秒，优选地为250皮秒-500纳秒；更优选地为500皮秒-250纳秒；进一步优选地为1纳秒-100纳秒；最优选地为8纳秒；优选地，在步骤3)中，所述辐照使用的激光脉冲频率为10-10000赫兹，优选地为100赫兹-7500赫兹；更优选地为200赫兹-5000赫兹；进一步优选地为500赫兹-2500赫兹；最优选地为1000赫兹；优选地，在步骤3)中，所述辐照时间根据激光波长的不同以及所选激光功率的不同进行选择，最终获得蓝色均一的TiO2颗粒；优选地，在步骤3)中，原位生长于TiO2颗粒上的TiO薄膜层厚度为1-30个原子层；更优选地为4-6个原子层；优选地，所述激光辐照中使用压片玻璃，所述压片玻璃每经2-3次辐照后进行更换。所述压片玻璃位于TiO2颗粒与激光辐照原之间，压片玻璃在进行激光辐照后，颜色由透明变为深黑色，影响激光的辐照效果，需及时更换。优选地，在步骤4)中，重复步骤2)和步骤3)6-10次；优选地，在步骤4)中，重复步骤2)和步骤3)的次数根据激光波长的不同以及所选激光功率的不同进行选择，最终获得蓝色均一的TiO2颗粒。另一方面，本专利技术还提供了根据本专利技术的方法制备的蓝色二氧化钛颗粒，所述二氧化钛颗粒粒径保持不变，可见光的吸收范围为400nm-800nm，在空气气氛中，其色泽稳定性可保持6个月以上。本专利技术人发现，利用快速激光辐照TiO2颗粒，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蓝色二氧化钛颗粒的制备方法，所述方法包括以下步骤：/n1)去除TiO

【技术特征摘要】
1.一种蓝色二氧化钛颗粒的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)去除TiO2颗粒的表面杂质；
2)将步骤1)处理后的TiO2颗粒进行压片，使压片后的TiO2颗粒表面平整；
3)使用脉冲宽度为皮秒或纳秒的快速激光，对步骤2)处理后的TiO2颗粒辐照3-10秒，得到表面原位生长TiO薄膜的TiO2颗粒；
4)将步骤3)处理后的TiO2颗粒重新混合均匀后，重复步骤2)和步骤3)，至TiO2颗粒蓝色均一，即得。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤1)中，所述TiO2颗粒的晶型为锐钛矿晶型或金红石晶型。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤1)中，所述TiO2颗粒的粒径为5nm-5000nm；优选地为50nm-2500nm；更优选地为50nm-2000nm；进一步优选地为50nm-1000nm；最优选地为100nm。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤3)中，所述快速激光的光源波长为355nm-1700nm，优选地为500nm-1500nm；更优选地为800nm-1200nm；最优选地为1064nm。


5.根据权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小龙，王达，金士锋，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11