专利名称：一种掺杂铌的单斜晶系TiO<sub>2</sub>的纳米纤维的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种TiO2，特别是一种制备具有优异结晶性和电导率的掺杂铌的单斜晶系TiO2的纳米纤维。
背景技术：
二氧化 钛因具有无毒、高效、化学稳定性好、氧化能力强、价格低廉等优点而在光催化降解有机污染物的技术领域倍受青睐。TiO2常见的晶型主要有以下几种:锐钛矿型(正方晶系)，金红石型(正方晶系)，板钛矿型(斜方晶系)和单斜晶系型。其中，目前被广泛关注和研究的锐钛矿型和金红石型。虽然锐钛矿型和金红石型的结晶性能也非常优异，但与之相比单斜晶系TiO2还具有更多的优点，例如具有优异导电性能，从而使得单斜晶系的TiO2有望获得在诸如锂电池负极材料等领域中更为广泛的应用。目前最常用于制备单斜晶系TiO2的方法主要是水热合成法、固相反应法。固相反应法是将锐钛矿型TiO2与碳酸钾和碳酸钠相混合，然后在高温加热处理，先合成K2Ti4O9和Na2Ti4O9，然后置于盐酸溶液中进行离子置换得到H-T1-O的化合物，在进行热处理最后得到单斜晶系Ti02。虽然固相反应法的制备成本低廉，能够很方便的进行产业化生产，然而其制得的粒子形状通常为棒状，产品结晶的稳定性较差。而水热合成法是将锐钛矿型TiO2与强碱溶液进行混合，在150-19CTC条件下反应足够的时间，合成K2Ti4O9和Na2Ti4O9，之后也是进行热处理得到单斜晶系Ti02。比较而言，水热合成法不但能够在较低温度下进行合成反应，而且能够得到纳米纤维形态单斜晶系TiO2,结晶性相对更为稳定。尽管水热合成法相对于其他的方法具有相当的优势，但其得到的单斜晶系TiO2在高温环境中仍然有转化为锐钛矿型Ti02。如何能够更有效的获得稳定的单斜晶系TiO2并控制其结晶形貌，是水热合成法中需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的即在于提供能够具有优异结晶性和电导率的掺杂铌的单斜晶系TiO2纳米纤维。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:—种具有优异结晶性和电导率的掺杂铌的单斜晶系TiO2纳米纤维，其由以下步骤制备得到:首先，选用粒度约0.02nm、含有0.26-0.30wt%铌的锐钛矿型TiO2,以及10mol/L的NaOH溶液作为反应原料，其中配比为每10-15g锐钛矿型TiO2对应为IOOml的NaOH溶液；第二，将锐钛矿型TiO2与NaOH溶液置入密闭的高压容器中混合并搅拌进行水热合成反应，其中反应的条件是在温度为380°C、压力为25.0MPa的条件下进行的，反应时间为 2.5h ;第三，将水热合成反应产物用去离子水进行洗涤，洗涤次数至少为4次；
第四，将洗涤后的水热合成反应产物在0.lmol/L的盐酸溶液中进行离子置换反应，其中反应温度为60-70°C，反应时间为1.5-2h ；
第五，将离子置换反应产物在大气环境的条件下进行热处理最终得到铌含量为0.13-0.16wt%的掺杂铌的单斜晶系TiO2的纳米纤维，其中热处理温度为420-440°C，热处理的时间为4-4.5h。
优选的，所述掺杂铌的单斜晶系TiO2的铌含量为0.15wt%。
本发明的优点是:采用了合适的水热反应温度和压力，获得结晶性稳定、形态可控的掺杂铌的单斜晶系TiO2的纳米纤维。
图1是本发明得到的掺杂铌的单斜晶系TiO2的纳米纤维的SEM照片。
具体实施方式
下面，通过具体的实施例1-3对本发明进行详细说明。
实施例1.
首先，选用粒度约0.02nm、含有0.26wt %铌的锐钛矿型TiO2,以及10mol/L的NaOH溶液作为反应原料，其中配比为每12g高纯锐钛矿型TiO2对应为IOOml的NaOH溶液；
第二，将高纯锐钛矿型TiO2与NaOH溶液置入密闭的高压容器中混合并搅拌进行水热合成反应，其中反应的条件是在温度为380°C、压力为25.0MPa的条件下进行的，反应时间为2.5h ；
第三，将水热合成反应产物用去离子水进行洗涤，洗涤次数为5次；
第四，将洗涤后的水热合成反应产物在0.lmol/L的盐酸溶液中进行离子置换反应，其中反应温度为65°C，反应时间为1.8h ；
第五，将离子置换反应产物在大气环境的条件下进行热处理最终得到掺杂铌的单斜晶系TiO2的纳米纤维，其中热处理温度为430°C，热处理的时间为4.5h。
实施例2.
除了原料为含有0.28wt%铌的锐钛矿型TiO2之外，其余反应条件均与实施例1中相同。
实施例3.
除了原料为含有0.30wt%铌的锐钛矿型TiO2之外，其余反应条件均与实施例1中相同。
实施例1-3反应后得到的产物经XRD衍射测试确认均为单斜晶系TiO2 ;图1为实施例2的SEM照片结果，可以看出，本申请制备方法得到掺杂铌的单斜晶系TiO2具有约70-90nm的纤维直径，且具有较长的纤维长度；将`本发明中的单斜晶系TiO2纳米纤维在大气环境下于800°C条件下加热5h后，测试的XRD衍射测结果仍然是单斜晶系TiO2的结晶相状态，表明本申请中的单斜晶系1102具有极佳的结晶稳定性及热稳定性；400°C热处理产品以及800°C热处理后的BET比表面积(单位m2/g)结果列于表I中，其中1#是采用现有技术中150-190°C条件下反应得到的单斜晶系TiO2的测试结果，2-4#分别是实施例1_3的测试结果，可以看出本发明的单斜晶系TiO2产品的BET比表面积远小于现有技术的产品，并且经过800°C热处理后的稳定性也远远高出；表2是实施例1-3中单斜晶系TiO2纳米纤维的铌含量(wt%);产品的电导率Log对数值(单位S/m)测试结果列于表3中，其中0#是锐钛矿型TiO2的测试结果，1#是采用现有技术中150-190°C条件下反应得到的单斜晶系TiO2的测试结果，2-4#分别是实施例1-3的测试结果，5#是相同反应条件下由高纯锐钛矿型TiO2制备得到的不掺杂铌的单斜晶系TiO2的测试结果，由结果可以看出，单斜晶系TiO2的电导率都远远高于锐钛矿型TiO2，其中掺杂了铌均高于不掺杂的。综合上面的结果可知，在380°C，压力为25.0MPa，反应时间为2.5h条件下得到的铌含量为0.15wt%的单斜晶系TiO2纳米纤维兼具了优异的稳定性和相对较高的导电率，具有最好的综合性能。表I
权利要求
1.一种掺杂铌的单斜晶系TiO2纳米纤维，其由以下步骤制备得到: 首先，选用粒度约0.02nm、含有0.26-0.30wt%铌的锐钛矿型TiO2,以及10mol/L的NaOH溶液作为反应原料，其中配比为每10-15g锐钛矿型TiO2对应为IOOml的NaOH溶液； 第二，将锐钛矿型TiO2与NaOH溶液置入密闭的高压容器中混合并搅拌进行水热合成反应，其中反应的条件是在温度为380°C、压力为25.0MPa的条件下进行的，反应时间为2.5h ； 第三，将水热合成反应产物用去离子水进行洗涤，洗涤次数至少为4次； 第四，将洗涤后的水热合成反应产物在0.lmol/L的盐酸溶液中进行离子置换反应，其中反应温度为60-70°C，反应时间为1.5-2h ； 第五，将离子置换反应产物在大气环境的条件下进行热处理最终得到铌含量为0.13-0.16wt%的掺杂铌的单斜晶系TiO2的纳米纤维，其中热处理温度为420-440°C，热处理的时间为4-4.5h。
优选的，所述掺杂铌的单斜晶系TiO2的铌含量为0.15wt%。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂铌的单斜晶系TiO2纳米纤维，其特征在于:其纳米纤维的纤维直径约7 0-90nm。
全文摘要
一种具有优异结晶性和电导率的掺杂铌的单斜晶系TiO2纳米纤维，主要是采用了合适的水热反应温度和压力，获得结晶性稳定、形态可控的单斜晶系TiO2的纳米纤维，其中TiO2的纳米纤维的纤维直径约为70-90nm，在800℃的高温条件下仍旧能够不转化为其他结晶相，电导率约为1S/m数量级。
文档编号C01G23/053GK103172114SQ201310059740
公开日2013年6月26日 申请日期2013年2月21日 优先权日2013年2月21日
发明者李磊 申请人:李磊