金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法及应用，包括如下步骤：将钛盐前驱体和金属盐溶于表面活性剂溶液中，得到料液A；将醇溶剂与酸混合，得到料液B；开启超重力反应器，将反应器温度保持在5

【技术实现步骤摘要】
金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及纳米分散体制备
；更具体地，涉及一种金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]二氧化钛(TiO2)作为最有效的光催化剂之一，具有高催化活性、稳定性、无污染、制备成本较低等优势。但由于二氧化钛的带隙较宽(Eg＝3.2eV)，主要被紫外光所激发，无法充分利用可见光；加之光生电子与空穴的高复合率高，也导致其光量子效率较低，从而限制了二氧化钛光催化剂在实际中的应用，因此，为了提高纳米TiO2的催化活性，很多研究者采用不同的方法改进二氧化钛光催化剂性能，如离子掺杂、贵金属沉积、半导体复合以及表面光敏化等。
[0003]在众多提高光催化性能的方法中，二氧化钛掺杂改性的研究最多，其中，金属掺杂是较为有效且成本较低的手段之一。纳米二氧化钛的光催化性能主要取决于粒径大小、分散程度和表面活性位点等。其中，通过超重力技术产生的极大强化的微观混合环境所制备的掺杂型纳米二氧化钛水相分散体，可在一定程度上减小纳米二氧化钛颗粒的尺寸，使粒径分布变窄，提高颗粒的比表面积；同时，也可以通过超重力技术实现掺杂的均匀性，提高其光催化性能。
[0004]超重力技术的基本原理是利用超重力条件下多相流体系的独特流动行为，强化相与相之间的相对速度和相互接触，从而实现高效的传质过程和化学反应过程，是通过旋转产生离心力来模拟实现超重力环境的典型的过程强化反应器。对于液液相反应，在超重力环境下，微观混合过程得到了极大强化，微观混合时间小于成核诱导时间，颗粒成核生长过程可在微观均匀的理想环境中进行，因此，超重力反应器适合于制备粒径小且分布窄的纳米二氧化钛颗粒。进一步结合表面改性技术和溶剂热法，可制得稳定透明的掺杂型纳米二氧化钛水相分散体。
[0005]传统的制备方法包括沉淀法，热分解法，水热法，溶剂热法，以及溶胶凝胶法等。不同方法表现出不同的优缺点，以上方法大多生产纳米二氧化钛粉体，粉体自身易团聚，不能充分发挥其优良特性。例如，中国专利公开号为CN1490249，名称为“一种纳米二氧化钛的制备方法”的专利，利用超重力反应器生产纳米二氧化钛粉体，以四氯化钛或硫酸氧钛为原料，在超重力反应器中通过中和水解反应制备出水合二氧化钛，再经过干燥和煅烧得到纳米二氧化钛粉体产品。生产流程短，生产效率高，但该方法的缺陷在于：所制备的纳米二氧化钛颗粒团聚比较严重，不能分散，不能发挥纳米二氧化钛的优良特性。
[0006]另外，现有的技术中也有公开有关于纳米二氧化钛分散体的制备方法。例如，中国专利公开号为CN101072730，名称为“制备二氧化钛纳米颗粒分散体的方法以及由此方法所得的分散体和二氧化钛分散体应用于表面的功能化”的专利。该方法在水及适宜的络合溶剂混合物中制备锐钛矿型二氧化钛纳米颗粒分散体，该方法的缺陷在于二氧化钛在有机相和水相中分散性差，且制备工艺较复杂，分散体稳定性不高。
[0007]中国专利CN 110790306 A公开了一种单分散锐钛矿纳米二氧化钛透明液相分散体的制备方法。该方法包括如下步骤：将钛盐前驱体溶于醇溶剂中，常温下搅拌20
‑
40min后加入酸，记为料液A；将醇溶剂与去离子水混合，记为料液B；准备超重力反应器，将反应器温度保持在5
‑
50℃；将料液A、B同时加入到超重力反应器中反应，反应后得到反应溶液；将上述反应溶液转移至高温高压反应釜中进行溶剂热或水热反应，得二氧化钛白色沉淀；将二氧化钛白色沉淀离心、洗涤、改性，分散在不同溶剂中，制得单分散锐钛矿纳米二氧化钛透明液相分散体。该方法制得的产品存在如下缺陷：制备工艺繁琐，对料液A和料液B进行了复杂的前处理过程，对常见的农药无明显降解效果。而本专利技术制备的金属掺杂型二氧化钛水相分散体制备工艺简单，通过掺杂其他金属元素，可以提升二氧化钛的光催化性能，同时，使其具有快速且高效降解常见农药的性能。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法。该方法制得的掺杂型纳米二氧化钛≥80％的颗粒呈椭圆形，一维颗粒尺寸3
‑
40nm；该方法制得的纳米二氧化钛分散体可以降解残留农药，最快可在半个小时内完成水体或土壤中的残留农药的降解，显著的提高了农药降解效率。
[0009]本专利技术要解决的第二个技术问题是提供一种上述制备方法制得的金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体在农药降解中的应用。
[0010]为解决上述第一个技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：
[0011]1、一种金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0012]S1、将钛盐前驱体和金属盐溶于表面活性剂溶液，得到料液A；将醇溶剂与酸溶液混合，得到料液B；
[0013]S2、开启超重力反应器，将反应器温度保持在20
‑
70℃；
[0014]S3、将料液A、料液B同时蠕动泵导入到超重力反应器，反应后得到二氧化钛胶质溶液；
[0015]S4、将二氧化钛胶质溶液转移至反应釜中进行溶剂热反应，得二氧化钛白色沉淀；
[0016]S5、将二氧化钛白色沉淀离心、洗涤，分散在水中，制得金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体。
[0017]优选地，步骤S1)中，所述钛盐前驱体选自于下列物质中的一种或者多种：钛酸丁酯、钛酸异丙酯、硫酸钛、氯化钛；
[0018]优选地，步骤S1)中，所述钛盐前驱体溶液的浓度为10
‑
40wt％；
[0019]优选地，步骤S1)中，所述金属盐选自下列物质中的一种或者多种：硝酸镧、硝酸钆、硝酸铈、硝酸钇、硝酸钕、硝酸钪、三氯化铁、氯金酸、氯钯酸钠、四氯化铂；
[0020]优选地，步骤S1)中，所述金属的掺杂量占纳米二氧化钛的0.1
‑
15wt％；更优选地，所选掺杂量占纳米二氧化钛的0.4
‑
10wt％；
[0021]优选地，步骤S1)中，所述醇溶剂选自下列物质中的一种或者多种：甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、丙醇、正丁醇、2
‑
丁醇、正癸醇、正己醇、壬醇；
[0022]优选地，步骤S1)中，所述酸选自下列物质中的一种或者多种：磷酸、硝酸、盐酸、硫
酸；
[0023]优选地，步骤S1)中，所述酸液浓度为1
‑
98wt％；更优选地，所述酸液浓度为1
‑
30wt％；
[0024]优选地，步骤S1)中，所述料液A和料液B分别置于储槽中，保持温度20
‑
70℃；
[0025]优选地，步骤S1)中，所述表面活性剂选自以下物质中的一种或者多种：十六烷基三甲基溴化铵、油酸、油酸钠、硬脂酸、聚乙二醇、柠檬酸、柠檬酸钠、月桂酸、月桂酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠；
[0026]优选地，步骤S1)中，改性的温度为20
‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将钛盐前驱体和金属盐溶于表面活性剂溶液中，得到料液A；将醇溶剂与酸溶液混合，得到料液B；S2、开启超重力反应器，将反应器温度保持在20
‑
70℃；S3、将料液A、料液B同时蠕动泵导入到超重力反应器，反应后得到二氧化钛胶质溶液；S4、将二氧化钛胶质溶液转移至反应釜中进行溶剂热反应，得二氧化钛白色沉淀；S5、将二氧化钛白色沉淀离心、洗涤，分散在水中，制得金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体。2.根据权利要求1所述的金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法，其特征在于：步骤S1)中，所述钛盐前驱体选自于下列物质中的一种或者多种：钛酸丁酯、钛酸异丙酯、硫酸钛、氯化钛；优选地，步骤S1)中，所述钛盐前驱体溶液的浓度为10
‑
40wt％。3.根据权利要求1所述的金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法，其特征在于：步骤S1)中，所述金属盐选自下列物质中的一种或者多种：硝酸镧、硝酸钆、硝酸铈、硝酸钇、硝酸钕、硝酸钪、三氯化铁、氯金酸、氯钯酸钠、四氯化铂；优选地，步骤S1)中，所述金属的掺杂量占纳米二氧化钛的0.1
‑
15wt％；更优选地，所选掺杂量占纳米二氧化钛的0.4
‑
10wt％。4.根据权利要求1所述的金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法，其特征在于：步骤S1)中，所述醇溶剂选自下列物质中的一种或者多种：甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、丙醇、正丁醇、2
‑
丁醇、正癸醇、壬醇、正己醇；优选地，步骤S1)中，所述酸选自下列物质中的一种或者多种：磷酸、硝酸、盐酸、硫酸；优选地，步骤S1)中，所述酸液浓度为1
‑
98wt％；更优选地，所述酸液浓度为1
‑
30wt％；优选地，步骤S1)中，所述料液A和料液B分别置于储槽中，保持温度20
‑
70℃。5.根据权利要求1所述的金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法，其特征在于：步骤S1)中，所述表面活性剂选自以下物质中的一种或者多种：十六烷基三甲基溴化铵、油酸、油酸钠、硬脂酸、聚乙二醇、柠檬酸、柠檬酸钠、月桂酸、月桂酸钠，聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠；优选地，步骤S1)中，改性的温度为20
‑
60℃；更优选地，改性的温度为25
‑
40℃；优选地，步骤S1)中，所述表面活性剂占改性后纳米二氧化钛颗粒质量百分比为10
‑
40％。6.根据权利要求1所述的金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法，其特征在于：步骤S2)中，反应温度为20
‑
70℃；更优选地，反应温度为25
‑
60℃；最优选地，反应温度为25
‑
55℃；优选地，步骤S2)中，所述超重力反应器选自超重力旋转填充床反应器、折流式超重力旋转床反应器、螺旋通道超重力旋转床反应器、定
‑
转子超重力旋转床反应器或者旋转碟片超重力旋转床反应器；优选地，所述超重力反应器的转子转速为300
‑
2500rpm；优选地，所述超重力反应器的转子转速为500
‑
1500rpm。7.根据权利要求1所述的金属掺杂型纳米二氧化钛水相分散体的制备方法，其特征在于：步骤S3)中，所述料液A进料流率为90
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洁欣，王贯宇，孙倩，吴昊，陈建峰，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：