专利名称：尺寸和形貌可控的单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒的制备方法
技术领域：
本发明属于无机半导体纳米及亚微米材料制备领域，特别涉及几十纳米至亚微米的尺寸和形貌可控的、单分散的、球形介孔二氧化钛胶体颗粒的制备方法。
背景技术：
二氧化钛俗称钛白，是研究较多的高功能精细无机材料，是重要的陶瓷、半导体及催化材料，由于纳米及介孔二氧化钛具有很高的比表面积，良好的耐候性、耐化学腐蚀性、较高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、光活性等独特性能，所以被广泛应用于化工、电子、生物、涂料、传感器、介电材料、塑料、油墨、造纸、化纤、橡胶、分离等领域，例如(1)TiO2是很好的光催化剂，尤其是当它们具有介孔结构及纳米尺寸时，由于比表面积增大，表面的键态与颗粒内部的不同，表面原子配位不足等，形成凹凸不平的原子台阶，加大了反应接触面，导致表面的活性位置增多，反应活性大大增加。
(2)介孔TiO2具有大的比表面积及良好的热稳定性，因此可以做为载体，负载各种类型金属纳米颗粒，如纳米金、铂等，这种复合材料的协同光催化活性大大提高，目前这方面研究是一个热点。
(3)另外由于具有介孔结构的球形TiO2具有良好的吸附性能，将这种具有介孔结构的球形TiO2胶体颗粒涂膜，然后负载不同尺寸的纳米银和金属颗粒，形成多彩光致变色膜，在宝石组装，变色玻璃，彩色复印纸、光学记忆器件等方面具有巨大的应用前景。
(4)此外，由于TiO2具有高折射率，因此单分散球形TiO2胶体颗粒包括具有介孔结构的球形颗粒是光子晶体与胶体晶体研究中最佳候选材料。
基于研究与应用的要求，尤其是满足在光电器件组装，如电子纸、平板显示器、光子晶体与胶体晶体组装器件及均匀涂膜等方面的要求，具有介孔结构的球形胶体颗粒粒径应该分布窄，形貌均一，制备过程要尽可能的简单易行。目前文献上制备单分散球形介孔TiO2胶体颗粒的方法主要是以介孔碳球及介孔SiO2球为模板，以钛酸酯为原料，将其渗入到介孔碳球模板中水解，然后去除模板制得，例如Yi Tang等采用这种方法制备了介孔金属氧化物球(参见文献“General synthesis of mesoporous spheres of metal ofoxi des and phosphates”，J.Am.Chem.Soc.，2003年第125期4976～4977页)，这种方法缺点是比较复杂费时。另外Yunxia Zhang等通过在醇体系中引入表面活性直接制备出介孔TiO2胶体颗粒(参见文献“The formation ofmesoporous TiO2spheres via a facie chemical process”，J.Phys.Chem.B，2005年109卷5478～5481页)，但以上方法所得颗粒的单分散性差，形貌尺寸不易控制。
发明内容
本发明的主要目的是克服以上方法的缺点，提供一种尺寸和形貌可控的单分散球形介孔TiO2胶体颗粒的制备方法，所得介孔TiO2胶体颗粒的粒径范围在20～2000纳米，颗粒尺寸分布平均偏差小于10％，颗粒比表面积介于50～1000m2/g。
本发明采用共聚物球为模板，通过溶胀渗透方法，首次成功制备出了单分散的球形介孔TiO2胶体颗粒。
本发明的目的是通过下面的技术方案实现的在室温条件下的混合溶剂体系中，在共聚物微球[苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球(PSMMA)]表面形成二氧化钛包覆层，然后将所得包覆颗粒用混合溶液溶胀渗透处理，得到聚合物/二氧化钛复合物颗粒，再将这种复合物颗粒烧结得到单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒。
本发明的制备方法包括以下步骤(1)将无水乙醇和极性溶剂按1∶15～15∶1的体积比例混合均匀；(2)将钛酸酯[Ti(OR)4]溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，其中钛酸酯的初始浓度为1×10-4～5摩尔/升；优选为5×10-4～1.5摩尔/升；(3)将水或氨水溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，然后再加入一定量的自制或市售的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球分散均匀，其中氨的初始浓度为0.01～5摩尔/升，水的初始浓度为0.01～5摩尔/升，苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球的初始浓度为0.01～100克/升；(4)在室温条件下，将步骤(3)配制的溶液加入到反应器中，然后将步骤(2)配制的钛酸酯混合溶剂溶液加入到反应器中，其中步骤(2)与步骤(3)溶液的体积比为1∶5～5∶1，搅拌反应0.5～10小时，得到乳白色或白色浑浊液，离心分离，得到苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒；(5)将步骤(4)得到的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒分散到乙醇与有机溶剂的混合溶液中，其中有机溶剂与乙醇的体积比为1∶9～9∶1，搅拌5～48小时，离心分离得到均一的二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒；(6)将步骤(5)得到的均一二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒在温度为350～1000℃下烧结1～5小时，得到单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒，颗粒尺寸分布平均偏差小于10％，颗粒的直径在20～2000纳米，比表面积介于50～1000m2/g。
所述的极性溶剂为丙酮、乙腈或异丙醇等。
所述的钛酸酯[Ti(OR)4]中R为-CnH2n+1，n＝2～4。
所述的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球的直径范围是30nm到5μm。
所述的有机溶剂为甲苯或四氢呋喃。
本发明的效果和优点采用本发明的方法得到的介孔TiO2胶体颗粒为均一的球形，分散性好，尺寸分布窄，颗粒尺寸分布平均偏差小于10％，并且具有介孔结构，比表面积在50～1000m2/g范围内，如附图1所示。
本发明是通过乙醇与有机溶液混合液将PSMMA表面的TiO2分散形成纳米级TiO2颗粒，同时将PSMMA溶胀，使得分散开的纳米TiO2颗粒易于渗透到溶胀的PSMMA颗粒内部，形成均一的PSMMA/TiO2复合颗粒，再通过煅烧形成介孔二氧化钛颗粒。
本发明的水解法不仅能耗低，产品纯度高，还可以通过二氧化钛包覆厚度和所用PSMMA颗粒的尺寸对介孔二氧化钛颗粒尺寸进行控制。
本发明制备单分散、球形介孔TiO2胶体颗粒的方法相对简单易行，易于推广应用，所用溶剂价廉、易得、安全。
以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明。
图1.本发明的实施例1单分散球形介孔TiO2颗粒透射电镜照片。
具体实施例方式
实施例1(1)将无水乙醇和乙腈按1∶2的体积比例混合均匀；(2)将钛酸四丁酯溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，其中钛酸四丁酯的初始浓度为2×10-3摩尔/升；(3)将氨水加入在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，然后再加入一定量市售的直径为220nm的PSMMA球分散均匀，其中氨的初始浓度为0.1摩尔/升，PSMMA球的初始浓度为0.02克/升；(4)在室温条件下，将步骤(3)配制的溶液加入到反应器中，然后将步骤(2)配制的钛酸四丁酯混合溶剂溶液加入到反应器中，其中步骤(2)与步骤(3)溶液的体积比为1∶2，搅拌反应12小时，得到乳白色或白色浑浊液，离心分离，得到苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒；(5)将步骤(4)得到的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒分散到乙醇与甲苯的混合溶液中，其中甲苯与乙醇的体积比为1∶2，搅拌12小时，离心分离得到均一的二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒；(6)将步骤(5)得到的均一二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒在温度为450℃下烧结2小时，得到单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒，颗粒尺寸分布平均偏差小于10％，颗粒的直径为130nm，比表面积介于125m2/g。如图1所示。
实施例2(1)将无水乙醇和丙酮按10∶3的体积比例混合均匀；(2)将钛酸四丁酯溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，其中钛酸四丁酯的初始浓度为5×10-4摩尔/升；(3)将氨水加入在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，然后再加入一定量直径为260nm的PSMMA球分散均匀，其中氨的初始浓度为0.06摩尔/升，PSMMA球的初始浓度为0.012克/升；(4)在室温(25～30℃)条件下，将步骤(3)配制的溶液加入到反应器中，然后将步骤(2)配制的钛酸四丁酯混合溶剂溶液加入到反应器中，其中步骤(2)与步骤(3)溶液的体积比为3∶2，搅拌反应2小时，得到乳白色或白色浑浊液，离心分离，得到苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒；(5)将步骤(4)得到的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒分散到乙醇与四氢呋喃的混合溶液中，其中四氢呋喃与乙醇的体积比为1∶6，搅拌8小时，离心分离得到均一的二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒；(6)将步骤(5)得到的均一二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒在温度为650℃下烧结3小时，得到单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒，颗粒尺寸分布平均偏差小于10％，颗粒的直径为143nm，比表面积介于110m2/g。
实施例3(1)将无水乙醇和乙腈按1∶13的体积比例混合均匀；(2)将钛酸四异丙酯溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，其中钛酸四异丙酯的初始浓度为2.5×10-2摩尔/升；(3)将水加入在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，然后再加入一定量自制的直径为350nm的PSMMA球分散均匀，其中水的初始浓度为0.1摩尔/升，PSMMA球的初始浓度为0.025克/升；(4)在室温条件下，将步骤(3)配制的溶液加入到反应器中，然后将步骤(2)配制的钛酸四异丙酯混合溶剂溶液加入到反应器中，其中步骤(2)与步骤(3)溶液的体积比为4∶1，搅拌反应3小时，得到乳白色或白色浑浊液，离心分离，得到苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒；(5)将步骤(4)得到的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒分散到乙醇与甲苯的混合溶液中，其中甲苯与乙醇的体积比为1∶2，搅拌24小时，离心分离得到均一的二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒；(6)将步骤(5)得到的均一二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒在温度为450℃下烧结4小时，得到单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒，颗粒尺寸分布平均偏差小于10％，颗粒的直径为162nm，比表面积介于140m2/g。
实施例4(1)将无水乙醇和异丙醇按5∶9的体积比例混合均匀；(2)将钛酸四丁酯溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，其中钛酸四丁酯的初始浓度为0.125摩尔/升；(3)将氨水加入在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，然后再加入一定量市售的直径为90nm的PSMMA球分散均匀，其中氨的初始浓度为0.6摩尔/升，PSMMA球的初始浓度为0.2克/升；(4)在室温条件下，将步骤(3)配制的溶液加入到反应器中，然后将步骤(2)配制的钛酸四丁酯混合溶剂溶液加入到反应器中，其中步骤(2)与步骤(3)溶液的体积比为1∶1，搅拌反应2小时，得到乳白色或白色浑浊液，离心分离，得到苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒；(5)将步骤(4)得到的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒分散到乙醇与四氢呋喃的混合溶液中，其中四氢呋喃与乙醇的体积比为4∶1，搅拌35小时，离心分离得到均一的二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒；(6)将步骤(5)得到的均一二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒在温度为400℃下烧结2.5小时，得到单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒，颗粒尺寸分布平均偏差小于10％，颗粒的直径为45nm，比表面积介于300m2/g。
实施例5(1)将无水乙醇和丙酮按14∶2的体积比例混合均匀；(2)将钛酸四乙酯溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，其中钛酸四乙酯的初始浓度为0.5摩尔/升；(3)将氨水加入在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，然后再加入一定量直径为3200nm的PSMMA球分散均匀，其中氨的初始浓度为3摩尔/升，PSMMA球的初始浓度为45克/升；(4)在室温条件下，将步骤(3)配制的溶液加入到反应器中，然后将步骤(2)配制的钛酸四乙酯混合溶剂溶液加入到反应器中，其中步骤(2)与步骤(3)溶液的体积比为1∶4，搅拌反应7小时，得到乳白色或白色浑浊液，离心分离，得到苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒；(5)将步骤(4)得到的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒分散到乙醇与甲苯的混合溶液中，其中甲苯与乙醇的体积比为5∶7，搅拌24小时，离心分离得到均一的二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒；(6)将步骤(5)得到的均一二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒在温度为600℃下烧结2小时，得到单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒，颗粒尺寸分布平均偏差小于10％，颗粒的直径为1350nm，比表面积介于85m2/g。
权利要求
1.一种尺寸和形貌可控的单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒的制备方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤(1)将无水乙醇和极性溶剂按1∶15～15∶1的体积比例混合均匀；(2)将钛酸酯溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，其中钛酸酯的初始浓度为1×10-4～5摩尔/升；(3)将水或氨水溶解在步骤(1)所得的混合溶剂中，搅拌均匀，然后再加入苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球分散均匀，其中氨的初始浓度为0.01～5摩尔/升，水的初始浓度为0.01～5摩尔/升，苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球的初始浓度为0.01～100克/升；(4)在室温条件下，将步骤(3)配制的溶液加入到反应器中，然后将步骤(2)配制的钛酸酯混合溶剂溶液加入到反应器中，其中步骤(2)与步骤(3)溶液的体积比为1∶5～5∶1，搅拌反应，得到乳白色或白色浑浊液，离心分离，得到苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒；(5)将步骤(4)得到的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球表面包覆二氧化钛的胶体颗粒分散到乙醇与有机溶剂的混合溶液中，其中有机溶剂与乙醇的体积比为1∶9～9∶1，搅拌，离心分离得到均一的二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒；(6)将步骤(5)得到的均一二氧化钛/苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球复合颗粒在温度为350～1000℃下烧结，得到单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的单分散球形介孔二氧化钛胶体颗粒的尺寸分布平均偏差小于10％，颗粒的直径在20～2000纳米，比表面积介于50～1000m2/g。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的步骤(2)钛酸酯的初始浓度为5×10-4～1.5摩尔/升。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的步骤(4)的搅拌反应时间是0.5～10小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的步骤(5)搅拌时间是5～48小时。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的极性溶剂为丙酮、乙腈或异丙醇。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的步骤(6)烧结时间是1～5小时。
8.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是所述的钛酸酯分子式为[Ti(OR)4]，其中R为-CnH2n+1，n＝2～4。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物微球的直径是30nm到5μm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的有机溶剂为甲苯或四氢呋喃。
全文摘要
本发明属于无机半导体纳米及亚微米材料制备领域，特别涉及几十纳米至亚微米的尺寸和形貌可控的、单分散的、球形介孔TiO
文档编号C09C3/10GK101070184SQ20061001188
公开日2007年11月14日 申请日期2006年5月12日 优先权日2006年5月12日
发明者唐芳琼, 王鹏, 陈东 申请人:中国科学院理化技术研究所