一种超声辅助氧化钛纳米片剥离的方法
【专利摘要】一种超声辅助氧化钛纳米片剥离的方法，是一种促进多层纳米片快速剥离成单层氧化钛纳米片的方法。为实现质子型钛酸盐快速及完全的剥离，本发明所述方法为：称取o.ro.5g质子型钛酸盐溶于lOOmL四丁基氢氧化铵溶液（0.002~0.08mol/L),于恒温振荡器中充分混合12h后，将混合液于超声波清洗机中超声5~100min(超声功率400W，频率40KHz)，再置于恒温振荡器（20(T400r/min)或磁力搅拌器(lOOlOOr/min)进行溶胀剥离反应，其中超声处理频次控制为：5~100min/次，间隔时间为2~30h，反应5~20天后，质子型钛酸盐被剥离成单层氧化钛纳米片。本发明在保证纳米片剥离的前提下，通过超声辅助法加速电解质扩散于纳米片前躯体的层间，为快速实现纳米片的剥离及纳米片尺寸的控制提供了简便、有效的方法。
【专利说明】一种超声辅助氧化钛纳米片剥离的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于化学材料合成、催化技术相关领域，是一种促进多层纳米片快速剥离 成单层纳米片的方法。
【背景技术】
[0002] 洁净的水资源和空气是人类健康生活和进行生产活动的不可或缺的物质条件。但 随着经济迅猛发展和人口激增，人类向环境中排放的污染物对环境质量造成了极大危害。 近年来，各种处理方法已应用于环境治理中，但是这些方法中绝大多数不仅耗能高，而且只 是将污染物从环境中转移，并非完全转化为C0 2、H2O等无机小分子。因此，开发高效低耗能 的绿色科技技术进行环境污染治理变得迫切需要，有助于解决能源短缺，以便可持续发展 战略的实施。
[0003] 近年来，氧化钛光催化法作为一种高级氧化技术，因其安全无毒、效率高、反应彻 底等优点而受到广泛关注。氧化钛纳米片（TihO 24xO是一种二维结构的纳米材料，由质子 型钛酸盐HxTi2_ x/404在碱性溶液中溶胀剥离而成的单层晶体，厚度不到I nm，横向尺寸为微 米或准微米，通常带负电，其具有很好的光催化、光电转换效能。目前，单层氧化钛纳米片制 备过程中，以质子型钛酸盐作为前驱体大多采用恒温振荡的方法进行层间溶胀剥离反应， 但是耗时较长，这极大的限制了纳米片的应用。本发明采用超声处理质子型钛酸盐剥离的 混合液作为辅助手段，可以加速纳米片的剥离，同时控制超声频次，可以得到不同尺寸的单 层氧化钛纳米片。
【发明内容】
[0004] 针对常规法振荡剥离纳米片耗时长的问题，本发明提供一种超声辅助纳米片剥离 成单层纳米片的方法，简单且易于实施。所述方法通过如下方式实现：称取0. l~〇. 5 g的质 子型钛酸盐（HxTi2_x/404)溶于100 mL浓度为0. 002~0. 08 mol/L四丁基氢氧化铵（TBAOH)溶 液中，于恒温振荡器中200 r/min速度下充分混合12 h后，将混合液于超声机中进行5~100 min的超声处理(超声功率400W，频率40KHz)，再置于恒温振荡器（20(T400 r/min)中或磁 力搅拌器（1〇(Γ300 r/min)上进行溶胀剥离反应，反应过程中超声处理频次控制为：5~100 min/次，间隔时间为2~30 h，反应5~20天后，质子型钛酸盐被剥离成单层氧化钛纳米片。
[0005] 本发明是在大量的试验测试及文献调研分析上得出的，具体原理包括以下几点： (1)当质子型钛酸盐溶于四丁基氢氧化铵溶液后，质子型钛酸盐层间的电荷出现了不 平衡，故溶液中的TBA+向层间扩散以保持电中性，同时水分子也会向层间扩散发生水化作 用，使得钛酸盐层间距发生改变，随着水分子和TBA+不断进入层间，同时伴随着剪切力，使 得层间距继续扩大，最终发生层离而生成单层氧化钛纳米片。
[0006] (2)超声辅助法利用了超声的原理，一方面加速离子扩散，使得溶液更迅速的扩散 至层间；另一方面，超声过程空化产生的微小气泡同样可以产生摩擦剪切作用，加速了质子 型钛酸盐层间距的增加。总的来说，超声处理起到一个加速扩散并剥离多层前驱体的作用。
[0007] (3)不同的混合方法(振荡器振荡和磁力搅拌）影响离子的扩散速度，故TBA+扩散 至质子型钛酸盐层间的时间各不相同，同时，不同的方式产生的不同剪切力对于质子型钛 酸盐溶胀剥离后所产生的单层纳米片的尺寸大小亦有不同程度的影响。
[0008] 本发明所提供的超声辅助多层质子型钛酸盐剥离的方法，能够加速单层氧化钛纳 米片的制备，缩短了制备时间，同时制备所得的不同尺寸的单层氧化钛纳米片可以根据不 同需要应用于各种领域。此法操作简单、有效、便捷，大大提高了单层氧化钛纳米片制备效 率。
[0009]
【具体实施方式】
[0010] 实施例1 : 将0.4 g质子型钛酸盐溶于100 mL浓度为0.004 mol/L TBAOH溶液中，使用磁力搅拌 方式进行混合，每24 h超声处理15 min，反应14天，单层氧化钛纳米片平均尺寸约为500 μ m X 200 μ m〇
[0011] 实施例2: 将0.4 g质子型钛酸盐溶于100 mL浓度为0.004 mol/L TBAOH溶液，使用恒温振荡器 进行混合，每15 h超声处理50 min，反应10天，单层氧化钛纳米片平均尺寸约为200 μ m X 100 μ m〇
[0012] 实施例3: 将0.4 g质子型钛酸盐溶于100 mL浓度为0.016 mol/L TBAOH溶液，使用恒温振荡器 进行混合，每10 h超声处理25 min，反应18天，单层氧化钛纳米片平均尺寸约为300 μ m X 200 μ m〇
【权利要求】
1. 一种超声辅助氧化钛纳米片剥离的方法，其特征在于所述方法步骤为：称取 0. f〇. 5 g的质子型钛酸盐（HxTi2_x/404)溶于100 mL浓度为0. 002、. 08 mol/L四丁基氢氧 化铵（TBAOH)溶液中，于恒温振荡器中200 r/min速度下充分混合12 h后，将混合液于超声 机中进行5?100 min的超声处理(超声功率400W，频率40KHz )，再置于恒温振荡器（20(Γ400 r/min)中或磁力搅拌器（100~300 r/min)上进行溶胀剥离反应，反应过程中超声处理频次 控制为：5~100 min/次，间隔时间为2~30 h，反应5~20天后，质子型钛酸盐被剥离成单层氧 化钛纳米片。
2. 根据权利要求1所述的一种超声辅助氧化钛纳米片剥离的方法，其特征在于所述的 质子型钛酸盐投加量为〇. l~〇. 5 g。
3. 根据权利要求1所述的一种超声辅助氧化钛纳米片剥离的方法，其特征在于所述 的四丁基氢氧化铵（TBAOH)溶液浓度为0. 002?0. 08 mol/L。
4. 根据权利要求1所述的一种超声辅助氧化钛纳米片剥离的方法，其特征在于振荡 器的转速为20(T400 r/min，磁力搅拌器转速为ΚΚΓ300 r/min。
5. 根据权利要求1所述的一种超声辅助氧化钛纳米片剥离的方法，其特征在于超声 处理频率为5?100 min/次，间隔时间为2?30 h。
6. 根据权利要求1所述的一种超声辅助氧化钛纳米片剥离的方法，其特征在于混合 后搅拌或振荡5~20天。
【文档编号】B82Y30/00GK104211111SQ201410447077
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】陈少华, 崔星, 石建稳, 王晓君, 徐颖 申请人:中国科学院城市环境研究所