CN107055606B - 一种金红石相二氧化钛纳米球的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种金红石相二氧化钛纳米球的制备方法属于无机材料制备技术领域。所述的制备方法有钛电极制备、充气、开启等离子体加热反应、收集产物、退火等步骤。本发明具有制备工艺简单、制备时间短、制备环境友好、产量大和成本低等优点，制备的纳米球结构稳定性好，结晶性高，产品纯度高，尺寸分布范围窄，颗粒球形表面光滑，单分散性好，可用于对金红石结晶性和纯度要求较高的领域。

Description

一种金红石相二氧化钛纳米球的制备方法

技术领域

本发明属于无机材料制备技术领域，具体来说，涉及一种金红石相二氧化钛纳米球的制备方法。

背景技术

纳米二氧化钛主要有锐钛矿、板钛矿和金红石三种晶相。其中，金红石相二氧化钛纳米结构由于具有热力学性质稳定、电介常数高、折射率高、优异的透光性和很强的紫外线屏蔽能力，已经在电子工业及涂料工业领域得到了广泛的应用。因此，如何制备低成本、形貌和大小可控的纯相金红石型纳米已经成为二氧化钛领域的研究热点。

金红石相二氧化钛纳米颗粒的传统合成方法主要有液相法和气相法。液相法主要包含溶胶-凝胶法、液相沉淀法、溶剂热法和水热法等制备方法，是目前实验室和工业上广泛采用的制备方法。虽然液相法制备的纳米二氧化钛颗粒具有粉体粒径大小可控、合成温度较低、成本低等优点，但是仍然存在一些尚未解决的困难：1)液相法的钛源一般来源于四氯化钛或钛酸四丁酯等含钛化学试剂，而这些试剂具有高价格、高危险、高毒性等缺点，在运输，使用和保存上都存在着安全隐患。2)液相法制备过程步骤繁杂，操作复杂，耗时，制备过程容易产生污染，重复性差。3)纳米颗粒结构不易控制，颗粒容易团聚，很难得到单分散的纳米颗粒。4)制备过程容易引入杂质，很难得到纯度较高的金红石相，进而影响最终产物的性能。气相法生产的二氧化钛纳米结构具有晶体结晶性好、晶相纯度高、化学活性高、单分散性好、团聚少的优点，已经成为特别是对金红石品质要求较高领域的首选方法。到目前为止，虽然气相法取得了很大进展，但是制备成本低，制备时间短，工艺简单重复性好，制备环境友好的操作，能满足工业化大规模生产的气相法仍有待进一步发展。

据此，低成本，产量大，环境友好和高品质的金红石相二氧化钛纳米颗粒的研发，达到实现纳米材料简易制备和提高材料性能的目的，探索其材料制备方法的绿色化、制备工艺的简单化势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术制备金红石相二氧化钛纳米材料的方法存在的不足，提供一种制备工艺简单、环境友好、合成条件易控制且成本低廉的金红石相二氧化钛纳米球的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种金红石相二氧化钛纳米球的制备方法，步骤有：

(1)钛电极制备：将钛片加工成同轴磁控等离子加速器系统装置的电极片，再经标准半导体硅片清洗工艺清洗后，将其组装在同轴磁控等离子加速器系统装置中，作为放电负极，充当反应物的钛源；

(2)充气：将同轴磁控等离子加速器系统装置中的反应腔体抽真空后，充入纯度为99.7％的工业氧气，待系统气压恢复到1.5个大气压后，停止充气，腔体中的氧气充当反应物的氧源；

(3)开启等离子体加热反应；使钛电极表面发生氧化反应；

(4)收集产物：待反应结束系统温度冷却到室温以后，打开阀门，从反应腔体和电极片上收集反应产物；

(5)退火：将步骤(4)得到的产物转移到马弗炉中进行退火，当反应结束后，随炉自然冷却至室温，得到金红石相二氧化钛纳米球。

本发明的一种金红石相二氧化钛纳米球的制备方法，在步骤(3)的等离子体加热反应中，同轴磁控等离子加速器系统的参数设置优选为：充电电容为14.4mF，充电电压为2.5kV，充电能量为50KJ，放电功率50Mw，脉冲持续时间55微秒，一个周期为0.5ms。

本发明的一种金红石相二氧化钛纳米球的制备方法，在步骤(5)中，退火温度优选500～700℃，退火时间优选1～6小时。

有益效果：

1、本发明工艺步骤简单易行，制备时间短(0.5ms)，产量大(一个周期0.5ms可产生15g)，制备环境友好，成本低(反应原材料廉价易得，仅用价格低廉的商业化钛片和工业氧气)。

2、本发明制备的纳米球结构稳定性好，结晶性高，产品纯度高，尺寸分布范围窄，颗粒球形表面光滑，单分散性好，可用于对金红石结晶性和纯度要求较高的领域。

附图说明

图1为本发明实施例1所用的设备结构示意图。

图2为本发明实施例2所制得的样品的扫描电镜(SEM)图。

图3为本发明实施例2所制得的样品的拉曼谱图。

具体实施方式

以下实施例仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1设备结构

本发明所使用的制备系统的结构示意图如图1所示，其主要结构有非磁性金属内罩1、等离子产生装置2、非磁性金属外罩3、加速器系统4、铁电极片6构成的同轴磁控等离子加速器系统，以及电感元件系统5、开关7、电容8、反应腔体9。其中非磁性金属内罩1和非磁性金属外罩3构成石墨电极系统，主要起到散热和保护作用。系统的最大充电电压为5千伏，最大充电电容为28.8mF。在等离子产生装置2的作用下，电容8放电产生的电流将氧气转换成等离子态，然后这些等离子态的氧经加速器系统4加速和电感元件系统5调控出射速度与铁电极片6反应。本制备系统的反应温度可以超过10000K，冷却速率可达10⁸K/s，等离子加速速率可达2.8Km/s。

实施例2金红石相二氧化钛纳米球的制备

(1)钛电极制备：将市售高纯度钛片(纯度99.99％)加工成磁控等离子加速器系统装置的电极片，再经标准半导体硅片清洗工艺清洗后(去离子水、丙酮和无水酒精分别超声清洗20分钟后)，将其组装在实施例1的同轴磁控等离子加速器系统装置中充当反应物的钛源。

(2)充气：将实施例1的设备系统中的反应腔体9抽真空后，充入纯度为99.7％工业氧气，待系统气压恢复到1.5个大气压后，停止充气。腔体9中的氧气充当反应物的氧源。

(3)等离子体加热反应。设备反应参数设置如下：充电电容为14.4mF，充电电压为2.5kV，充电能量为50KJ，放电功率50Mw，脉冲持续时间55微秒，一个周期为0.5ms。

(4)收集产物：待系统温度冷却到室温以后，打开阀门，从反应腔体和钛电极片上收集反应产物。一个脉冲反应时间为0.5毫秒，所得产物产量为15g。

(5)退火：将步骤(4)所得产物转移至氧化铝坩埚中，并将其转移到600℃的马弗炉中空气气氛下进行退火，退火时间为2小时。退火样品随炉自然冷却到室温后，得到金红石相二氧化钛纳米球产物。

制备的样品的扫描电镜(SEM)如附图2所示，从图中可清晰地观察到颗粒形状为完美的球形且表面光滑，粒径主要分布范围为几纳米到500纳米以内，且大多数颗粒尺寸在50纳米以内。样品的拉曼谱图如图3所示，由谱图可以确定制备得到的产物为金红石相。

Claims (3)

1.一种金红石相二氧化钛纳米球的制备方法，步骤有：

(1)钛电极制备：将钛片加工成同轴磁控等离子加速器系统装置的电极片，再经标准半导体硅片清洗工艺清洗后，将其组装在同轴磁控等离子加速器系统装置中，作为放电负极，充当反应物的钛源；所述的同轴磁控等离子加速器系统装置由非磁性金属内罩(1)、等离子产生装置(2)、非磁性金属外罩(3)、加速器系统(4)、钛电极片(6)构成；所述的同轴磁控等离子加速器系统装置还与电感元件系统(5)、开关(7)、电容(8)、反应腔体(9)相连接；

(2)充气：将同轴磁控等离子加速器系统装置中的反应腔体抽真空后，充入纯度为99.7％的工业氧气，待系统气压恢复到1.5个大气压后，停止充气，腔体中的氧气充当反应物的氧源；

(3)开启等离子体加热反应；在等离子产生装置(2)的作用下，电容(8)放电产生的电流将氧气转换成等离子态，然后这些等离子态的氧经加速器系统(4)加速和电感元件系统(5)调控出射速度与钛电极片(6)反应，使钛电极表面发生氧化反应；

(4)收集产物：待反应结束系统温度冷却到室温以后，打开阀门，从反应腔体和电极片上收集反应产物；

(5)退火：将步骤(4)得到的产物转移到马弗炉中进行退火，当反应结束后，随炉自然冷却至室温，得到金红石相二氧化钛纳米球。

2.根据权利要求1所述的一种金红石相二氧化钛纳米球的 制备方法，其特征在于，在步骤(3)的等离子体加热反应中，同轴磁控等离子加速器系统的参数设置为：充电电容为14.4mF，充电电压为2.5kV，充电能量为50KJ，放电功率50MW ，脉冲持续时间55微秒，一个周期为0.5ms。

3.根据权利要求1或2所述的一种金红石相二氧化钛纳米球的 制备方法，其特征在于，在步骤(5)中，退火温度为500～700℃，退火时间为1～6小时。