專利名稱：一種核殼結構二氧化鈦的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種核殼間具有空隙的核殼(殼中球)結構二氧化鈦的制備方法。
技術背景自然界許多材料，如海貝殼，荷花葉等雖然成分非常簡單，但由于具有非常 奇特的微觀結構而表現出極為特殊的性能。21世紀以來，探索新的納米結構已 成為材料、物理、化學等領域的研究熱點之一。殼中球結構具有空心球結構比表 面積大、密度小的特型，可作為輕質結構材料、隔熱、隔聲和電絕緣材料、顏料 等；同時又兼具了核殼結構材料成分多樣和性能優異的特點，往往會產生許多新 的優異特性，如提高納米粒子的穩定性，調節其光學性能、磁學性能、熱學性能、 電學性能以及表面活性和敏感特性，使其滿足多種特殊需求，因而具有較高的應 用價值。二氧化鈦殼中球結構，由于核殼間存在空隙，可使電磁波在其內部反復 反射，有效的提高了其對于紫外可見光的利用效率從而大大的提高了二氧化鈦的 光催化性能。報道表明，在對于相同比表面積的實心、空心、殼中球結構的二氧 化鈦的光催化性能的比較中，殼中球結構的二氧化鈦具有最高的光催化活性，這 點足以表明這種新結構材料在光催化領域具有極大的應用前景。目前，制備這種 復雜結構材料的方法主要局限于模板法、水熱法和溶膠-凝膠法等，但由于這些 方法都需要復雜的后處理工藝，并且結品性較差，極大的限制了他們的發展。相 對于上述方法，氣相燃燒合成法所制備的材料粒徑小，純度和結晶度高，是制備 超細顆粒的主要方法，也是最有工業化前景的制備方法之一。Hexing Li等人在文獻中報道了水熱法制備殼中球結構二氧化鈦材料的方 法，但是該方法工藝復雜、周期較長、能耗較高、粒徑較大，難以實現工業化。發明內容本發明的目的在于提供一種核殼結構二氧化鈦的制備方法，以克服現有技術 所存在的上述缺陷。本發明的構思是這樣的TiCl4的乙醇溶液被惰性氣體載入蒸發器，由于乙醇和TiCU的沸點分別為78.4t和136.4°C，所以溶液完全汽化形成混合蒸汽。該蒸汽由中心管進入高速 射流反應器燒嘴，在燒嘴口冷卻，形成微小液滴，從燒嘴噴出后進入到氫氣燃燒 形成的環形火焰內部，同時部分乙醇也被引燃。前期TiCL高溫水解反應速率高 于其擴散速率，前驅體向液滴表面擴散進行核生長形成顆粒外殼，后期由于反應 物濃度降低，反應速率低于擴散速率，形成顆粒的內核。核殼之間的空隙即為冷 卻收縮部分體積。經過此高溫火焰和高速冷卻過程， 一歩形成了殼中核結構的二 氧化鈦顆粒。本發明所述的制備方法，其特征在于，包括如下歩驟將TiCU和乙醇均勻混合，由惰性氣體載入蒸發器(l)汽化，在150 350'C下 汽化，通過設置在燃燒反應器頂部的三通道燒嘴的中心管(3)進入燃燒反應器(2)， 在燃燒室內進行水解反應，反應溫度為1000 2500°C，并最后生成殼中球結構， 從燃燒反應器頂部排出收集，尾氣經過HC1吸收塔后排空。Ti02殼中球結構的 顆粒直徑分布為100 600nm，壁厚為20 100nm，殼中球間空隙寬度為15 80nm，平均孔徑為7 10nm;同時，空氣由二環進入反應器； 同時，氫氣由三環進入反應器；通過各環氣體流量控制燒嘴出口氣體溫度為80 150°C; TiCU的乙醇溶液質量濃度為10 20%;惰性氣體載氣量與溶液的進料量的比例為0.6nrVh: 5 10ml/min;各環氣體的體積比中心管二環管三環管二l: 3 10: 0.3 0.6。采用本發明制備的二氧化鈦殼中球結構，設備和工藝簡單易于操作、生產周 期短、前驅體為氯化物，成本遠低于上述方法所采用的有機類前驅體，易于工業 化連續生產。并且所得顆粒粒徑小、結晶性較好、球殼和空隙部分可控，在光催 化領域具有極為廣泛的應用前景。
圖1為本發明實施例的生產流程示意圖；圖2為本發明實施例產物的電鏡照片；其中圖2 — a為產物顆粒的低分辨率電鏡圖，圖2_b和圖2 — C為產物顆粒在高分辨率下的單個顆粒放大圖； 圖3為本發明實施例產物的X射線衍射圖譜。
具體實施方式
通過以下實施例的說明將有助于理解本發明，但并不限制本發明的內容。實施例 1TiCU的無水乙醇溶液(質量分數為18%，進料速率為8ml/min)被N2載入 蒸發器，氮氣流量為0.6m3/h，蒸發器溫度控制在25(TC，汽化后由燒嘴中心管 進入燃燒反應器。二環空氣(4.0m3/h)和三環氫氣(0.2m3/h)形成輔助燃燒火 焰，前驅體的水解反應在燃燒室內進行，控制燒嘴出口氣體溫度為12(TC范圍內 部，使前驅體冷凝形成霧化蒸汽，進入燃燒室燃燒發生水解反應，反應溫度為 1800°C，制備的二氧化鈦殼中球結構顆粒平均尺寸為200nm，壁厚為35nm，空隙 寬度為20nm，平均孔徑為7。圖2 —a為顆粒的低分辨率電鏡圖，圖2 — b和2 — c為顆粒的高分辨單個顆粒放大圖；所得二氧化鈦為金紅石和銳鈦礦混合晶相， 其中金紅石質量分數為37%。
權利要求
1、一種核殼結構二氧化鈦的制備方法，其特征在于，包括如下步驟將四氯化鈦和乙醇均勻混合得到混合液，所述混合液由惰性氣體載入蒸發器汽化，通過設置在燃燒反應器頂部的三通道燒嘴的中心管進入燃燒反應器，在燃燒室內進行水解反應，反應溫度為1000～2500℃，在反應速率同擴散速率的相互競爭下最后生成一種核殼間存在空隙的核殼結構二氧化鈦；同時，空氣由二環進入反應器；同時，氫氣由三環進入反應器。
2、 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述燒嘴的出口氣體溫度為80 150 。C。
3、 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述混合液的質量濃度為10 20%，所述惰性氣體的載氣量與溶液的進料量的比例為0.6m3/h: 5 10ml/min。
4、 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述三通道中的氣體的體積比例為中心管二環管三環管=1: 3 10: 0.3 0.6。
5、 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述蒸發器內部的溫度范圍是150 350。C。
6、 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述核殼結構二氧化鈦的顆粒 直徑分布為100 600nm，壁厚為20 100nm，所述空隙的寬度為15 80nm，平均 孔徑為7 10nm。
全文摘要
本發明公開了一種核殼結構二氧化鈦的制備方法，將四氯化鈦和乙醇均勻混合，由惰性氣體載入蒸發器汽化，通過設置在燃燒反應器頂部的三通道燒嘴的中心管進入燃燒反應器，在燃燒室內進行水解反應，反應溫度為1000～2500℃，并最終生成一種核殼間存在空隙的二氧化鈦殼中球結構，從燃燒反應器頂部排出收集，尾氣經過HCl吸收塔后排空；同時，空氣由二環進入反應器；同時，氫氣由三環進入反應器。采用本發明的方法制備二氧化鈦殼中球結構，設備工藝簡單，易于工業化實施。所得到的殼中球結構，允許電磁波在其內部空間內反復折射，提高了其對光線的利用率。
文檔編號C01G23/053GK101215002SQ20081003280
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月18日 優先權日2008年1月18日
發明者杰 劉, 李春忠, 胡彥杰 申請人:華東理工大學