空心多孔微球制造技术

本发明专利技术涉及具有由纳米丝组成的多孔周壁的空心微球。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有由纳米丝组成的多孔周壁的空心微球。
技术介绍
已经发现不同材料的中孔和大孔组合物由于它们的大内表面积而广泛用作催化 剂和吸附介质(Kresge, C. T.，Leonowicz, Μ. E.，et al.，1992，Nature, vol. 359，p. 710)。预计例如孔径与光波长相当的大孔材料具有独特且非常有用的光学性质，例如光 子带隙和光阻带。控制孔径分布可以导致用作催化表面和载体、吸附剂、色谱材料、过滤 器、轻质结构材料、以及热声和电绝缘体的大孔材料的改善(Imhof，Α.，Pine, D. J. , 1997, Nature, vol. 389，p. 948).由于它们的广泛适用性，因而亟需具有某些或所有上述特性的其它多孔材料。专利技术概述本专利技术涉及具有由纳米丝组成的多孔周壁的空心微球。一方面，这样的空心微球 的直径为约ι μ m-200 μ m。纳米丝由包括但不限于金属氧化物、金属硫化物、碳、聚合物或其 混合物的材料制成。另一方面，本专利技术涉及制造至少一种本专利技术的空心微球的方法，其中所述方法包 括表面活性剂和纳米丝的混合物的喷雾干燥。纳米丝由包括但不限于金属氧化物、金属硫 化物、碳、聚合物或其混合物的材料制成。另一方面，本专利技术涉及净化污染水的方法，其包括将污染水与本专利技术空心微球或 由本专利技术方法获得的空心微球混合，其中所述空心微球由光催化材料制成。另一方面，本专利技术涉及本专利技术的空心微球或由本专利技术方法获得的空心微球作为催 化剂、或色谱材料、或轻质结构材料、或绝热体、或隔声体或电绝缘体的用途。催化剂可以用 于净化污染水或用于生产氢或用于裂化油或用于产生能量或用于制造太阳能电池。附图简述参照专利技术详述并结合非限制性实施例和附图可以更好地理解本专利技术，其中图IA示出合成的(a)、(b)空心TiO2微球和(c)、(d)在600°C下经煅烧的纳米线 TiO2微球的FESEM图像。用于喷雾干燥的悬浮液进料中TiO2纳米线和F127表面活性剂浓 度为8g/L和0. Iwt%。图IA(a)禾Π (c)的标尺1(^!11;附图说明图1八03)禾Π (d)的标尺1μπι。图 IA(b)和(d)示出空心微球的多孔结构以及纳米丝的非织造排列，在该情况下TiO2纳米线 形成本专利技术空心微球的周壁。图IB (a)和(b)示出本专利技术空心微球的TiO2纳米线的TEM图像。图IB (a)和(b) 的标尺分别为IOOnm和20nm。图IC示出纳米丝的横断面视图。图IC图示出纳米纤维和纳米线(也称纳米带)在结构上的差异。纳米纤维具有圆形横断面，纳米线或纳米带具有矩形横断面。纳米管具 有圆形横断面或具有矩形横断面，但内部为空心(空心断面在图IC中通过纳米管中央的亮 区显示)。图ID为示出空心微球周壁中的纳米丝的织造结构和非织造(无规则)结构之间 的差异的图示。可以看出在织造结构中每一纳米丝相对于所有其它纳米丝的定向比在非织 造结构中更有序。也可以看出，织造结构并不意味着纳米丝互相存在完全平行定向和距离， 而是指与在非织造结构中相比更接近于纳米丝的有序和规则定向的定向。标尺(白色条) 右侧小图100nm。 图2示出在不同温度下经煅烧的空心TiO2微球的XRD图案。从图2可以看出，二 氧化钛的结晶相随温度升高(300°C -600°C )而更多变为其光催化更活跃的锐钛矿相(A)。图3示出TiO2纳米线空心微球的氮气吸附和解吸等温线以及孔径分布曲线(插 图)。基于图3已经确定表面积以及它的孔径分布。经煅烧的TiO2纳米线微球的BET表面 积已经显示为38. 2m2/g，这非常接近于TiO2纳米线粉末的BET表面积。图4示出使用不同浓度表面活性剂溶液(a)0wt%、(b)0. 01wt%, (c)0. 05衬％和 (d)0. 2wt%制作的TiO2空心微球的FESEM图像。由图4的观察得出结论是表面活性剂的 存在是形成纳米线微球的关键。图4(a)-(d)的标尺10μπι。图5示出使用不同表面活性剂(a)0. 阴离子表面活性剂SDS和(b)0. Iwt% 阳离子表面活性剂CPC的TiO2空心微球的FESEM图像。可以得出结论是所用表面活性剂 的种类看起来不影响空心微球的形成。图5(a)和(b)的标尺10μπι。图6示出空心微球的热解重量分析(TGA)曲线。在图6中，χ-轴示出温度。左侧 y-轴示出绝对重量变化(重量(％ ))，而右侧y_轴示出每分钟空心微球的重量变化(导 数重量％ (%/min))。在该实验中，已经分析了如何从喷雾干燥期间形成的空心微球中除 去表面活性剂。图6示出表面活性剂主要在两个临界温度下被除去，即140°C和330°C。在 350°C下，几乎所有表面活性剂已经从空心微球中除去。图7示出使用具有不同浓度纳米丝的不同悬浮液制作的空心TiO2微球的FESEM图 像图 7 (a)和(b) 2g/L、(c)和(d) 4g/L、(e)和(f) 6g/L、(g)和(h) 10g/L 纳米丝。图 7 (a) 示出2g/L纳米线悬浮液的产物的图像。图7(a)示出组装的微球的数目仍小。假设纳米线 浓度应该更高以制造更多微球。如图7c中所示，当纳米线浓度增加至4g/L时，在产物中可 见大量微球。高倍放大图像(图7(d))清晰地示出多孔微球是空心的并在壳上具有较大开 口。由纳米线组成的壳具有多孔形态。在6g/L纳米线浓度下，产物中微球的量进一步增加。 然而，如在图7(e)中所示，一个中心开口已经不存在于壳上。高倍放大图像(图7(f))示 出微球壳的多孔形态仍然保持完整。穿过纳米线之间的有效孔隙(net pores)也可见空心 结构。如图IA(a)和(b)中所示，在8g/L纳米线浓度下微球变得密实。微球的孔径变得更 小。如图7(g)和(h)中所示，进一步增加纳米线的浓度至10g/L导致形成更密实的微球。 图7的标尺，左侧FESEM图像10 μ m ；右侧FESEM图像1 μ m。图8例示经由表面活性剂调节的喷雾干燥工艺形成空心微球的机理模型。“初始 悬浮液液滴”表示当通过喷嘴分散在喷雾干燥器的蒸发管中时的悬浮液。“收缩的悬浮液液 滴”例示在喷雾干燥器的蒸发管中的溶剂蒸发期间微球的中间态，以及“产物”示出通过旋 风分离器离开喷雾干燥器的最终多孔空心微球。图8(a)不含表面活性剂的纳米丝悬浮液液滴，(b)具有低纳米丝浓度的纳米丝悬浮液液滴，(C)具有中等纳米丝浓度的纳米丝悬浮 液液滴和(d)具有高纳米丝浓度的纳米丝悬浮液液滴。图8示出通过增加纳米丝的浓度可 以控制孔径，因为更高纳米丝浓度导致更致密的空心多孔微球周壁。图9例示在P25和本专利技术的不同空心TiO2微球的存在下，MB的光解和光催化降解 期间亚甲蓝(MB)浓度和总有机物含量(TOC)的变化。在光催化降解期间，首先将MB分解 为一些小分子部分，然后将这些小分子部分进一步降解为二氧化碳和水。图9(a)示出MB 随时间而除去，以及图(b)示出90min后完全除去T0C。在90min照射时间后在光解中MB 减少小于30%。MB在TiO2纳米线空心微球和P25悬浮液中的光催化降解符合拟一级动力 学模型。三种纳米线微球NM4 (4g/L纳米丝悬浮液)、NM6 (6g/L纳米丝悬浮液)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空心微球，其具有由纳米丝组成的多孔周壁。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：DD孙，PF李，X张，J杜，JO莱基，
申请(专利权)人：新加坡南洋理工大学，利兰斯坦福青年大学托管委员会，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]