二氧化钛气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二氧化钛气凝胶的制备方法，包括以下步骤：1）先将钛酸丁酯溶于乙醇，然后加入表面活性剂磁力搅拌，得到混合液A；2）将螯合剂溶于乙醇和水的混合液中，均匀搅拌，得到混合液B；3）将混合液B加入混合液A中，之后再加入干燥控制化学添加剂，搅拌、静置，得到二氧化钛凝胶；4）将二氧化钛凝胶依次进行陈化和浸泡洗涤；5）将步骤4）的所得物进行干燥处理；6）将步骤5）所得的干燥物于200~300℃热处理3~5h，得到二氧化钛气凝胶。采用该方法能制备出比表面积较大、密度较低、孔径分布均匀的二氧化钛气凝胶。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机材料制备和溶胶-凝胶法
，具体涉及一种以钛酸丁酯为前驱体常压干燥制备二氧化钛气凝胶的方法。
技术介绍
TiO2气凝胶是由纳米粒子或者高聚物分子相互聚结而构成的多孔三维网络固体材料，其内部孔洞和基本组成颗粒的尺寸均处于纳米量级，比表面积在50 1600m2/g，孔隙率高达80%、9.8%，且孔径分布均匀，透光性能也较好。与TiO2粉体和薄膜不同，TiO2气凝胶是透明或半透明状固体，对光的通过率较高。紫外光几乎可以完全穿透气凝胶颗粒，激发气凝胶表层及内部的TiO2，释放出空穴和电子。此外构成TiO2气凝胶的基本颗粒非常小，处在量子尺寸范围，当紫外光照射激发时，其表面生成的空穴和电子不易复合，从而大大提高了光催化活性。并且它是具有高比表面积的介孔材料，污染物可在其内外表面同时进行吸附和降解，效率得到增强。目前，关于制备二氧化钛气凝胶已有相关报道。但主要使用超临界干燥方法，其条件苛刻、成本较高、工艺复杂、危险性较大。因此安全、简便、廉价的常压干燥方法的研究势在必行。在公开号为CN 101288835A、CN 102671586A等专利中，介绍了以四氯化钛为钛源和以工业水玻璃或硅酸为硅源，常压干燥制备出TiO2-SiO2复合气凝胶。但以TiO2为主体，且添加表面活性剂进行表面改性的气凝胶的制备研究却未见报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种，采用该方法能制备出比表面积较大、密度 较低、孔径分布均匀的二氧化钛气凝胶。为解决上述技术难题，本专利技术提供了一种，包括以下步骤:I)、于室温下，先将钛酸丁酯溶于乙醇，然后加入表面活性剂磁力搅拌，得到混合液A ；2)、于室温下，将螯合剂溶于乙醇和水的混合液中，均匀搅拌，得到混合液B ；3)、于室温下，将混合液B加入混合液A中，之后再加入干燥控制化学添加剂，搅拌10 60 min后，静置5 50 min，得到二氧化钛凝胶；所述钛酸丁酯:表面活性剂:螯合剂:干燥控制化学添加剂的摩尔比=1:0.0005 0.006 (较佳为 0.003 0.005):0.3 2.4:0.2 1.0 ；4)、将步骤3)所得的二氧化钛凝胶置于4(T70°C的温度陈化0.5^4d (天)，然后用乙醇于55飞5°C洗涤3次，每次8 16h ;再用表面修饰剂溶液于55飞5°C浸泡3次，每次22 26h ;最后用低表面张力溶剂于55 65°C浸泡I 3次，每次22 26h ；5)、将步骤4)的所得物先于5(T65°C干燥22 26h ;再升温至70 85°C，保温3 6h ；最后升温至10(Tl2(rC，保温3 6h ；6)、将步骤5)所得的干燥物于20(T300°C热处理3 5h，得到二氧化钛气凝胶。作为本专利技术的的改进:表面活性剂为聚乙二醇1000、聚乙二醇2000、三嵌段共聚物F127、三嵌段共聚物F108或三嵌段共聚物P123。作为本专利技术的的进一步改进:螯合剂为醋酸、柠檬酸、丙烯酸、草酸、乙酰丙酮或乙二胺。作为本专利技术的的进一步改进:干燥控制化学添加剂为甲酰胺、N，N-二甲基甲酰胺或丙三醇。作为本专利技术的的进一步改进:表面修饰剂溶液是体积浓度为5%~50%的正硅酸乙酯的乙醇溶液、体积浓度为5°/Γ50%的三甲基氯硅烷的乙醇溶液、或体积浓度为59Γ50%的甲基三甲氧基硅烷的乙醇溶液。作为本专利技术的的进一步改进:低表面张力溶剂为乙醇、正己烷、异丙醇或丙酮。作为本专利技术的的进一步改进:步骤3)，混合液B以滴加的方式加入混合液A中，混合液B的滴加速度为5 10ml/min。作为本专利技术的的进一步改进:步骤I)用到的乙醇和步骤2)用到的乙醇之和与钛酸丁酯的摩尔比为22 26:1 (较佳为24:1);步骤2)用到的水与钛酸丁酯的摩尔比为5 7:1 (较佳为6:1)。作为本专利技术的的进一步改进:步骤I)中磁力搅拌的时间为l(T20min，步骤2)中均匀搅拌的时间为l(T20min。在本专利技术中，室温一般是指1(T30°C。在本专利技术中，乙醇均指无水乙醇。本专利技术是以二氧化钛为主体、添加表面活性剂表面改性，常压制备二氧化钛气凝胶的方法。本专利技术中，加入表面活性剂是为了对凝胶进行改性，改善孔道的均匀性、尺寸和骨架强度，减少因干燥时表面张力导致的坍塌破裂。这是本专利技术的主要专利技术点所在。本专利技术中，加入醋酸等螯合剂是为了降低钛酸丁酯的水解速度，有助于得到稳定、均匀的结构。本专利技术中，甲酰胺等干燥控制化学添加剂可以使凝胶的孔径分布窄化，提高干燥时的稳定性。本专利技术是专利技术人经过认真研究、长期实验所获得的。本专利技术通过添加表面活性剂改善孔道，利用溶胶-凝胶技术和常压干燥制备样品。反应条件温和，对设备要求较低，提高了样品性能的同时，降低了危险性和制备成本。本专利技术制备的二氧化钛气凝胶比表面积为300_500m2/g，密度为0.2-0.6g/cm3,孔径分布在纳米量级，结构均匀稳定，可广泛用于催化、环保等领域。综上所述，本专利技术以钛酸丁酯为原料，结合溶胶-凝胶技术，通过添加表面活性剂等，利用常压干燥技术制备出比表面积较大、密度较低、孔径分布均匀、结构稳定的二氧化钛气凝胶。具体实施例方式实施例1、一种，依次进行以下步骤:一、制备二氧化钛凝胶:首先进行配料:钛酸丁酯:乙醇冰:表面活性剂:螯合剂:干燥控制化学添加剂的摩尔比=1:24:6:0.005:1.8:0.6 ;备注说明:上述乙醇指的是步骤I)和步骤2)乙醇的用量之和。选用聚乙二醇2000作为表面活性剂，醋酸作为螯合剂，甲酰胺作为干燥控制化学添加剂，正硅酸乙酯的乙醇溶液(正硅酸乙酯的体积分数为20%)作为表面修饰剂，乙醇为低表面张力溶剂；依次进行如下步骤:I)、于室温下，将钛酸丁酯溶于部分的乙醇(用量只需至少能保证将钛酸丁酯溶解即可，例如为上述乙醇总量的1/2)，将聚乙二醇2000加入，磁力搅拌15min，得到混合液A ;2)、于室温下，将醋酸溶于水和剩余的乙醇组成的溶液中，搅拌15min，得到混合液B ；3)、于室温下，将混合液B逐滴加入(滴加速度为6ml/min)到混合液A中，之后加入甲酰胺，搅拌30 min，室温静置15 min，得到二氧化钛凝胶；二、将二氧化钛凝胶进行以下再处理:4)、将二氧化钛凝胶置于40°C的温度陈化2d，然后用乙醇于60°C洗涤2次，每次12h (每次洗涤的用量必须保证二氧化钛凝胶被浸没)；再用正硅酸乙酯的乙醇溶液于60°C浸泡2次，每次24h (每次的用量必须保证二氧化钛凝胶被浸没)；最后用乙醇于60°C浸泡2次，每次24h (每次的用量必须保证二氧化钛凝胶被浸没)；5)、将步骤4)的所得物先在60°C干燥24h，再升温至80°C，保温4h，最后升温至110°C，保温 4h ；6)、将步骤5)所得的干燥物于250°C热处理4h，得到二氧化钛气凝胶。本专利技术制备的二氧化钛气凝胶比表面积为496m2/g,密度为0.45g/cm3,平均孔径为8.6nm,结构均勻稳定。实施例2、一种，依次进行以下步骤:一、制备二氧化钛凝胶:首先进行配料:钛酸丁酯:乙醇冰:表面活性剂:螯合剂:干燥控制化学添加剂的摩尔比=1:24:6:0.003:0.5:0.8 ；备注说明:上述乙醇指的是步骤I)和步骤2)乙醇的用量之和。选用三嵌段共聚物F127作为表面活性剂，乙酰丙酮作本文档来自技高网...

【技术保护点】
二氧化钛气凝胶的制备方法，其特征是包括以下步骤：1）、于室温下，先将钛酸丁酯溶于乙醇，然后加入表面活性剂磁力搅拌，得到混合液A；2）、于室温下，将螯合剂溶于乙醇和水的混合液中，均匀搅拌，得到混合液B；3）、于室温下，将混合液B加入混合液A中，之后再加入干燥控制化学添加剂，搅拌10~60?min后，静置5~50?min，得到二氧化钛凝胶；所述钛酸丁酯：表面活性剂：螯合剂：干燥控制化学添加剂的摩尔比=1：0.0005~0.006：0.3~2.4：0.2~1.0；4）、将步骤3）所得的二氧化钛凝胶置于40~70℃的温度陈化0.5~4d，然后用乙醇于55~65℃洗涤1~3次，每次8~16h；再用表面修饰剂溶液于55~65℃浸泡1~3次，每次22~26h；最后用低表面张力溶剂于55~65℃浸泡1~3次，每次22~26h；5）、将步骤4）的所得物先于50~65℃干燥22~26h；再升温至70~85℃，保温3~6h；最后升温至100~120℃，保温3~6h；6）、将步骤5）所得的干燥物于200~300℃热处理3~5h，得到二氧化钛气凝胶。

【技术特征摘要】
1.氧化钛气凝胶的制备方法，其特征是包括以下步骤: I )、于室温下，先将钛酸丁酯溶于乙醇，然后加入表面活性剂磁力搅拌，得到混合液A ; 2)、于室温下，将螯合剂溶于乙醇和水的混合液中，均匀搅拌，得到混合液B; 3)、于室温下，将混合液B加入混合液A中，之后再加入干燥控制化学添加剂，搅拌10 60 min后，静置5 50 min，得到二氧化钛凝胶； 所述钛酸丁酯:表面活性剂:螯合剂:干燥控制化学添加剂的摩尔比=1:0.0005 0.006:0.3 2.4:0.2 1.0 ； 4)、将步骤3)所得的二氧化钛凝胶置于4(T70°C的温度陈化0.5^4d,然后用乙醇于55 65°C洗涤I 3次，每次8 16h ;再用表面修饰剂溶液于55 65°C浸泡I 3次，每次22 26h ；最后用低表面张力溶剂于55 65°C浸泡I 3次,每次22 26h ； 5)、将步骤4)的所得物先 于5(T65°C干燥22 26h;再升温至7(T85°C，保温3 6h ;最后升温至10(Tl2(rC，保温:T6h; 6)、将步骤5)所得的干燥物于20(T30(TC热处理3 5h，得到二氧化钛气凝胶。2.根据权利要求1所述的二氧化钛气凝胶的制备方法，其特征是:所述表面活性剂为聚乙二醇1000、聚乙二醇2000、三嵌段共聚物F12...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭兴忠，孙赛，李文彦，杨辉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：