专利名称：弥散相TiO的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种弥散相TiO2/SiO2纳米复合颗粒的制备方法。
背景技术：
纳米TiO2颗粒反应活性高、可见光透过性好、具有很好的光催化活性，广泛地用作光催化反应的催化剂或催化剂载体；TiO2-SiO2纳米复合光催化剂不仅可以提高TiO2的表面活性位、增大表面积、增加表面羟基含量、改善分散性，SiO2的存在还可以抑制TiO2的相变和晶粒生长，增强其热稳定性。为适应不同领域应用的要求，人们开发了纳米TiO2-SiO2复合材料的多种制备技术，如溶胶凝胶法(Sol-Gel)、化学其相沉积(CVD)、气相燃烧合成等。相对于其他纳米材料合成方法而言，气相燃烧合成纳米复合颗粒的粒径小，纯度高，是制备纳米颗粒材料的重要方法，也是最有工业化前景的制备方法之一。
一种弥散相TiO2/SiO2纳米复合颗粒一般由四氯化钛(TiCl4)四氯化硅(SiCl4)气相燃烧水解反应得到，反应式如下
目前常用的纳米复合颗粒的制备方法多为液相沉淀法或者溶胶凝胶法，气相燃烧法制备纳米复合颗粒由于技术难度高，还没有相关专利报道。
液相法制备纳米复合颗粒的工艺一般是前驱体滴加到水溶液中进行水解反应，先生成中间体Ti(OH)4或者Si(OH)4，过滤后，在高温下进行锻烧除去多余的水和羟基，生成氧化物的复合颗粒。由于需要进行高温煅烧，所以复合颗粒容易烧结，难以分散。而且液相法步骤较多，实现大规模的连续化生产难度较大。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种弥散相TiO2/SiO2纳米复合颗粒制备方法和设备，以克服现有液相法的缺陷，满足大规模连续化成产的纳米复合颗粒的需要。
本发明的构思是这样的利用多重射流氢氧焰燃烧反应器，通过流量参数可以控制反应区的温度分布，控制前驱体TiCl4和SiCl4的进料浓度并使其预先达到分子级别的混合，控制二者同时进行均相成核，可以控制制备TiO2/SiO2弥散相纳米复合颗粒，发明人经过大量的实验，在工艺流程中，本发明采用了包括由多重射流燃烧反应器其中心管按一定的配比通入预先混合的反应物(TiCl4、SiCl4、氢气、空气)的混合气体；二环通入氢气和空气混合的助燃气体，由于二环的助燃气体可形成稳定的火焰，维持整个燃烧火焰的稳定，可以在较大的范围内调整中心射流火焰的温度和浓度分布。通过气速和前驱体浓度的调整，可以控制TiO2、SiO2的同时均相成核，形成弥散相纳米复合结构。
本发明所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤将四氯化钛、四氯化硅、氢气和空气的混合气体经设置在燃烧反应器顶部的四重射流管的中心管进入燃烧反应器；同时，将空气和氢气经四重射流管的二环管进入燃烧反应器；同时，将空气经四重射流管的三环管进入燃烧反应器；同时，将空气经四重射流管的四环管进入燃烧反应器；进入燃烧反应器的上述混合物，在燃烧反应器中，气相燃烧水解反应，生成所说的弥散相TiO2/SiO2纳米复合颗粒，产物经过收集装置分离，收集产物，尾气进入吸收装置吸收。
燃烧反应器中反应温度为1200-2500℃；通入中心管的氢气、氧气、四氯化钛、四氯化硅的混合气体标准体积比为氢气∶氧气∶四氯化钛∶四氯化硅＝1∶0.4～3∶0.05～0.6∶0.02～0.9总气速为60-170m/s，温度为50～250℃；通入二环管的混合气体按氢气和空气的标准体积比为氢气∶空气＝1∶0.2～1，总气速为50-150m/s，温度为20～100℃；通入三环管和四环管(7)的空气的气速为10-60m/s，温度为20～100℃；通入中心管的混合气体、通入二环管的混合气体、通入三环管的混合气体和通入四环管的混合气体标准体积比为中心管的混合气体∶二环管的混合气体∶三环管的混合气体∶四环管的混合气体＝1∶0.3～2∶2～10∶5～20。
术语“标准体积”指的是，气体的温度为25℃，压力为0.1Mpa。
采用上述方法制备的TiO2/SiO2纳米复合颗粒的形态介于球形纳米TiO2和链状纳米SiO2颗粒之间，并随Ti∶Si摩尔比的不同而变化。在TiO2/SiO2复合颗粒中，TiO2以纳米晶的形式均匀分散在无定形的SiO2基体中，形成弥散结构。在复合颗粒中存在Ti-O-Si键，SiO2的存在可以抑制TiO2晶粒的生长和锐钛相向金红石相的转变。改变Si含量，可以控制复合颗粒中金红石相含量和复合颗粒粒度。
由上述公开的技术方案可见，本发明的方法，设备结构简单，操作方便，所获得的弥散相TiO2/SiO2纳米复合颗粒中，TiO2以纳米晶的形式均匀分散在无定形的SiO2基体中，形成弥散结构，易于工业化生产。
图1为燃烧反应器结构示意图。
图2为流程示意图。
图3为实施例1的产物的电镜照片。
图4为实施例2的产物的电镜照片。
具体实施例方式
参见图1，用于实现本发明的方法的设备至少包括燃烧反应器15和设置在燃烧反应器15顶部的四重射流管1；所说的四重射流管1包括依次同轴的中心管101、二环管102、三环管103和四环管104。
按照本发明优选的技术方案，所说的燃烧反应器15的高径比为3～20，中心管101、二环管102、三环管103和四环管104的流通截面积比为中心管101∶二环管102∶三环管103∶四环管104＝1∶0.2～3∶1.5～10∶2～20。
参见图1和图2，本发明的方法包括如下步骤将四氯化钛、四氯化硅、氢气和空气的混合气体经设置在燃烧反应器15顶部的四重射流管1的中心管101进入燃烧反应器15；同时，将空气和氢气经四重射流管1的二环管102进入燃烧反应器15；同时，将空气经四重射流管1的三环管102进入燃烧反应器15；同时，将空气经四重射流管1的四环管102进入燃烧反应器15；进入燃烧反应器15的上述混合物，在燃烧反应器15中，气相燃烧水解反应，生成所说的弥散相TiO2/SiO2纳米复合颗粒，产物经过收集装置分离16，收集产物，尾气进入吸收装置17吸收。
实施例1设备参数所说的燃烧反应器15的高度为0.3米，直径为0.05米；中心管101的流通截面积为12mm2，二环管102的流通截面积为22m2，、三环管103的流通截面积为34mm2，四环管104的流通截面积为100mm2将温度为90℃的四氯化钛(0.5L/h)、四氯化硅(1.2L/h)、氢气(1.0m3/h)和空气(3m3/h)的混合气体通入四重射流管的中心管101，进入燃烧反应器15；将温度为50℃(0.6m3/h)和氢气(0.6m3/h)由二环管通入燃烧反应器15；将温度为80℃的空气(6m3/h)由三环管103通入燃烧反应器15；将温度为80℃的空气(10m3/h)由四环管104通入燃烧反应器15；燃烧室中反应温度为2000℃。
产物经过收集装置分离，尾气由吸收装置吸收。反应生成弥散相TiO2/SiO2复合颗粒的形态介于球形纳米TiO2和链状纳米SiO2颗粒之间，粒径为20-40nm。在TiO2/SiO2复合颗粒中，TiO2以纳米晶的形式均匀分散在无定形的SiO2基体中，TiO2纳米晶的直径为1～2nm，形成弥散结构。其电镜照片见图3。
实施例2设备参数所说的燃烧反应器15的高度为2.5米，直径为0.4米；中心管101的流通截面积为220mm2，二环管102的流通截面积为130mm2，、三环管103的流通截面积为260mm2，四环管104的流通截面积为600m2；将温度为220℃的四氯化钛(30L/h)、四氯化硅(30L/h)、氢气(10m3/h)和空气(35m3/h)的混合气体通入四重射流管的中心管101，进入燃烧反应器15；将温度为50℃的空气(5m3/h)和氢气(3m3/h)由二环管通入燃烧反应器15；将温度为20℃的空气(40m3/h)由三环管103通入燃烧反应器15；将温度为20℃的空气(60m3/h)由四环管104通入燃烧反应器15；燃烧室中反应温度为1200℃。
产物经过收集装置分离，尾气由吸收装置吸收。
反应生成弥散相TiO2/SiO2复合颗粒的形态介于球形纳米TiO2和链状纳米SiO2颗粒之间，粒径为30-50nm。在TiO2/SiO2复合颗粒中，TiO2以纳米晶的形式均匀分散在无定形的SiO2基体中，TiO2纳米晶的直径为5～10nm，形成弥散结构。其电镜照片见图4。
权利要求
1.一种弥散相TiO2/SiO2纳米复合颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤将四氯化钛、四氯化硅、氢气和空气的混合气体经设置在燃烧反应器(15)顶部的四重射流管(1)的中心管(101)进入燃烧反应器(15)；同时，将空气和氢气经四重射流管(1)的二环管(102)进入燃烧反应器(15)；同时，将空气经四重射流管(1)的三环管(103)进入燃烧反应器(15)；同时，将空气经四重射流管(1)的四环管(104)进入燃烧反应器(15)；进入燃烧反应器的上述混合物，在燃烧反应器中，气相燃烧水解反应，生成所说的弥散相TiO2/SiO2纳米复合颗粒，产物经过收集装置分离，收集产物，尾气进入吸收装置吸收，燃烧反应器中反应温度为1200-2500℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通入中心管的氢气、氧气、四氯化钛、四氯化硅的混合气体标准体积比为氢气∶氧气∶四氯化钛∶四氯化硅＝1∶0.4～3∶0.05～0.6∶0.02～0.9总气速为60-170m/s，温度为50～250℃。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通入二环管的混合气体按氢气和空气的标准体积比为氢气∶空气＝1∶0.2～1，总气速为50-150m/s，温度为20～100℃。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通入三环管和四环管(7)的空气的气速为10-60m/s，温度为20～100℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通入中心管的混合气体、通入二环管的混合气体、通入三环管的混合气体和通入四环管的混合气体标准体积比为中心管的混合气体∶二环管的混合气体∶三环管的混合气体∶四环管的混合气体＝1∶0.3～2∶2～10∶5～20。
6.用于实现权利要求1～5任一项所述的方法的设备，其特征在于，至少包括燃烧反应器(15)和设置在燃烧反应器(15)顶部的四重射流管(1)；所说的四重射流管(1)包括依次同轴的中心管(101)、二环管(102)、三环管(103)和四环管(104)，所说的燃烧反应器(15)的高径比为3～20，中心管(101)、二环管(102)、三环管(103)和四环管(104)的流通截面积比为中心管(101)∶二环管(102)∶三环管(103)∶四环管(104)＝1∶0.2～3∶5～10∶5～20。
全文摘要
本发明公开了一种弥散相TiO
文档编号C01G23/047GK1810640SQ20061002423
公开日2006年8月2日 申请日期2006年2月28日 优先权日2006年2月28日
发明者李春忠, 胡彦杰, 丛德滋, 姜海波 申请人:华东理工大学