一种金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术属于纳米多孔材料的制备工艺领域，涉及一种金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶的制备方法。本发明专利技术所制得的制得的金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶密度0.13～0.76g/cm3，比表面积104.17～269.15m2/g，平均孔径13～30nm。其制备方法是先用水热法制备出金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒，在纳米颗粒形成时引入金属阳离子，再对其进行表面改性、分散和凝胶，最后进行干燥处理。该制备方法工艺简单，用料低廉，有广泛的发展前景。泛的发展前景。泛的发展前景。

【技术实现步骤摘要】
一种金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶的制备方法


[0001]本专利技术属于纳米多孔材料的制备工艺领域，涉及一种金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶的制备方法，尤其涉及一种采用金属阳离子掺杂纳米颗粒组装法结合超临界干燥工艺制备金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶材料的方法。

技术介绍

[0002]光催化材料纳米化是目前光催化材料发展趋势之一，气凝胶是一种具有低密度、低介电常数、高比表面积和高孔隙率的三维纳米多孔材料，因其特殊的三维网络骨架结构成为了一种新兴的光催化材料。而纳米颗粒组装法是一种新兴的气凝胶制备方法，与溶胶
‑
凝胶法不同，纳米颗粒结晶度可以很大，最终获得的气凝胶可以保持高结晶度。
[0003]金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶材料在热稳定性、化学稳定性和结构稳定性方面都具有一定优越性，因而其催化活性更高。传统金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶材料光催化剂主要呈粉状，制得的粉末易发生团聚，且在空气中容易吸湿发生变质。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶的制备方法。本专利技术使用纳米颗粒组装法制备金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶材料，有三维纳米多孔网络结构、更大的比表面积、更加均匀的网络骨架结构和良好的吸附效果，且这个方法采用的原料和工艺简单，能耗低，结构可控，是一种理想的光催化材料。
[0005]本专利技术的技术方案为：一种金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶的制备方法，制得的金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶密度0.13～0.76g/cm3，比表面积104.17～269.15m2/g，平均孔径13～30nm，以1g/L的浓度作为金属阳离子掺杂钛酸钙钛矿气凝胶的投入标准，对pH＝3的10mg/L的甲基橙溶液进行紫外光降解，1小时可降解75～91％的MO，反应速率达到0.0175～0.0389min
‑1，其具体步骤如下：
[0006](1)金属醇盐溶液的制备
[0007]量取醇溶剂放入容器，加入碱土金属，在升温条件下搅拌至金属完全溶解，形成溶液A；
[0008](2)原料混合
[0009]待溶液A在持续搅拌中冷却，加入钛源和过渡金属的水合硝酸盐，并继续搅拌10～60min使其混合均匀，得到混合溶液B；
[0010](3)金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒的制备
[0011]将步骤(2)中的混合溶液B转移至聚四氟乙烯内衬，并放入水热反应釜，将水热反应釜放入(箱式)电阻炉中，进行水热反应，待反应釜冷却到室温，倒出样品，使用乙醇离心洗涤，再放入烘箱内烘干，得到金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒；
[0012](4)金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒的表面改性
[0013]量取步骤(3)制得的金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒放入表面改性剂溶液中，搅
拌1～3h，再将其混合液离心后倒出上层清液，所剩固体即为表面改性的金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒；
[0014](5)金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒的分散及凝胶
[0015]将表面改性的金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒倒入乙醇中搅拌，在持续搅拌的情况下加入去离子水使其静置凝胶，制得金属阳离子掺杂钛酸盐湿凝胶；
[0016](6)金属阳离子掺杂钛酸盐湿凝胶的老化及干燥
[0017]将步骤(5)中所得的金属阳离子掺杂钛酸盐湿凝胶加入乙醇进行老化，而后干燥，即得金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶。
[0018]优选步骤(1)中所述的醇溶剂为苯甲醇或异丙醇中的一种或两种的混合物。
[0019]优选步骤(1)中所述的碱土金属为钙、钡或锶中的一种，碱土金属和醇溶剂的质量体积比为5～50g/L。
[0020]优选步骤(1)中反应温度为30～80℃，搅拌时间为30～180min。
[0021]优选步骤(2)中所使用的钛源为钛酸异丙酯或钛酸四丁酯中的一种。
[0022]优选步骤(2)中所使用的过渡金属的水合硝酸盐为九水硝酸铬、六水硝酸镍、六水硝酸钴、四水硝酸镉或四水硝酸锰中的一种；碱土金属与钛源按照1:(0.95～1.05)的摩尔比进行混合；碱土金属与过渡金属的水合硝酸盐按照1:(0.1～0.5)的摩尔比进行混合。
[0023]优选步骤(3)中所述的水热反应温度为150～300℃，水热反应时间为24～96h；步骤(3)中所述的烘箱温度为30～60℃。
[0024]优选步骤(4)中的改性剂为2
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[2
‑
(2
‑
甲氧基乙氧基)乙氧基]乙酸或2
‑
(2
‑
甲氧基乙氧基)乙酸中的一种的乙醇溶液(以下分别简称为MEEAA溶液和MEAA溶液)，改性剂的浓度为0.1～0.5mol/L；金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒的质量与表面改性剂溶液的体积按照20～60g/L的比例进行混合；步骤(4)中所使用的正己烷和表面改性剂溶液的体积比为3～10。
[0025]优选步骤(5)中乙醇加入的体积和步骤(4)中称量的金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒的质量比为2.5～4.5mL/g；乙醇与去离子水的体积比为0.5～5；凝胶温度为20～60℃。
[0026]优选步骤(6)中所述的干燥方法为冷冻干燥、CO2超临界干燥或乙醇超临界干燥中的一种。老化时间24～72h，期间每6～12h换一次老化液。
[0027]有益效果：
[0028](1)本方法中制备的金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶为完整块体材料，便于回收，防二次污染。
[0029](2)该方法能耗低、低温合成、使用的原料、工艺简单。
[0030](3)本专利技术制得的金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶具有更大的比表面积和更为均匀的网络骨架结构，具有良好的光催化性能。
附图说明
[0031]图1为实例3的所制备的金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶的XRD图。
具体实施方式
[0032]下面结合实例对本专利技术作进一步说明，但保护范围并不限于此。
[0033]实例1
[0034]在烧杯中加入0.4g金属钙和80mL苯甲醇，在70℃搅拌60min形成苯甲醇钙溶液，在持续搅拌下冷却至室温，随后加入2.7001g钛酸异丙酯(金属钙与钛酸异丙酯的摩尔比为1:0.95)和0.4002g九水合硝酸铬(金属钙与九水合硝酸铬的摩尔比为1:0.1)，搅拌30min后倒入聚四氟乙烯内衬，放入水热反应釜，将水热反应釜放入箱式电阻炉，设置升温速率5℃/min，热处理温度150℃，处理时间36h，待反应釜冷却至室温，倒出样品，用乙醇洗涤三次，再放入60℃烘箱烘干，得到铬掺杂钛酸钙纳米颗粒。取0.2g铬掺杂钛酸钙纳米颗粒，放入10mL浓度为0.2mol/L的MEAA溶液，搅拌1h，倒入离心管，再向离心管中加入30mL正己烷，充分震荡后离心，倒出上层清液，取出表面改性的铬掺杂钛酸钙纳米颗粒，将其装入样品瓶，再向样品瓶中加入0.5mL乙醇，用针筒加入1mL去离子水，放入50℃烘箱静置凝胶，得到铬掺杂钛酸钙湿凝胶。凝胶样品脱模后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶的制备方法，其具体步骤如下：(1)金属醇盐溶液的制备量取醇溶剂放入容器，加入碱土金属，在升温条件下搅拌至金属完全溶解，形成溶液A；(2)原料混合待溶液A在持续搅拌中冷却，加入钛源和过渡金属的水合硝酸盐，并继续搅拌10～60min使其混合均匀，得到混合溶液B；(3)金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒的制备将步骤(2)中的混合溶液B转移至水热反应釜，将水热反应釜放入炉中，进行水热反应，待反应釜冷却，倒出样品，使用乙醇离心洗涤，再放入烘箱内烘干，得到金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒；(4)金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒的表面改性量取步骤(3)制得的金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒放入表面改性剂溶液中，搅拌1～3h，再将其混合液离心后倒出上层清液，所剩固体即为表面改性的金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒；(5)金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒的分散及凝胶将表面改性的金属阳离子掺杂钛酸盐纳米颗粒倒入乙醇中搅拌，持续搅拌加入去离子水使其静置凝胶，制得金属阳离子掺杂钛酸盐湿凝胶；(6)金属阳离子掺杂钛酸盐湿凝胶的老化及干燥将步骤(5)中所得的金属阳离子掺杂钛酸盐湿凝胶加入乙醇进行老化，干燥，即得金属阳离子掺杂钛酸盐气凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的醇溶剂为苯甲醇或异丙醇中的一种或两种的混合物。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的碱土金属为钙、钡或锶中的一种，碱土金属和醇溶剂的质量体积比为5～50g/L。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中反应温度为30～80℃，搅拌时间为30～180min。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈晓冬，夏雨，李砚涵，崔升，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：