基本信息
- 项目名称：
- 软化学法制备纳米TiO2空心球的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文在模板法和L-b-L自组装法的基础上，结合两者各自的优势，采用新型的模板导向-软化学法制备TiO2空心球。旨在通过密度分析、SEM、光催化性能分析和XRD图谱分析对制备出的材料进行密度、形貌、光催化活性及晶型等的研究。
- 详细介绍：
- 本文采用溶胶-凝胶法制备TiO2溶胶，用其包裹聚苯乙烯（PS）胶粒，再通过化学溶解方式除去PS胶粒可制备出封闭的TiO2空心球。在包裹过程中，随TiO2溶胶的前驱体TiCl4浓度改变，TiO2在PS核上沉积层的厚度随之变化。制备出的核-壳复合胶粒和空心球经密度、SEM、光催化降解、XRD等测定可以确定其中空性质、球形结构、锐钛矿晶型等特征，并具有极高的光催化活性。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- TiO2光催化材料是当前最有应用潜力的一种光催化剂。TiO2成空心球具有密度低、比表面积高、催化活性好、易于分离和重复使用等优良性能。大多数的制备TiO2空心球的方法存在着工艺过程复杂、制备样品的形貌和粒径难控制等缺点，软化学法相对于其他传统方法具有许多优点，如工艺简单，反应条件温和，过程容易控制等。因此本研究通过软化学工艺，采用新型的模板导向法制备TiO2空心球，并对其制备工艺进行了研究。
科学性、先进性及独特之处
- 本研究主要通过表面带电荷的PS胶晶球和在碱性溶液中形成的无机前驱体之间的静电吸引作用形成均匀包覆层，且包覆层的形成和模板的溶解在同一种介质中进行，可解决模板去除过程中严重团聚或晶粒生长的出现，在一定程度上真正实现TiO2空心球的尺寸更小、结构更完善、性能更优，为其进一步在光催化领域的应用打下基础。同时模板导向法也可在其它无机纳米空心球壳结构材料的制备上有所借鉴。
应用价值和现实意义
- 采用模板导向—软化学法制备TiO2空心球，既综合了模板法和L—b—L自组装法制备空心球的优点，又摒弃了形貌难控及过程繁琐等弊端。通过廉价的原料，采用简单的工艺，实现纳米TiO2空心球的可控制备及性能优化，为其进一步在光、电材料，包覆材料，反应工程，药物、染料的缓释，化学建材等诸多领域的应用打下基础。同时该方法也可在其它纳米空心球壳结构材料的制备上有所借鉴。
学术论文摘要
- TiO2空心球不仅具有超细粉体的高比表面和高活性，而且密度低、易回收、使用寿命长，是一类具有广阔应用前景和应用空间的新型材料，如应用于光子带隙，催化剂，白色颜料纳米反应器，化学传感器，能量转换，吸附介质及过滤器等。开展有关TiO2空心球的制备及其形貌机理的研究，是能否实现其在上述领域高效应用的必要前提。 本文在Chen M等制备SiO2空心球方法的基础上，综合了模板法和L—b—L自组装法制备空心球的优点，采用模板导向—软化学法制备纳米TiO2空心球，通过表面带正电荷的PS胶晶球和在碱性溶液中形成的无机前驱体之间的静电吸引作用形成均匀包覆层，而胶晶模板的去除通过控制所加碱溶液（如氨水）的量来实现的。该方法摒弃了模板法和L—b—L自组装法的形貌难控及过程繁琐等弊端，通过调整工艺参数，实现了空心球的形貌、尺寸等可控。 在包裹过程中，随TiO2溶胶的前驱体TiCl4浓度改变，TiO2在PS核上沉积层的厚度随之变化。制备出的核-壳复合胶粒和空心球经密度、SEM、光催化降解、XRD等测定可以确定其中空球形结构，煅烧后具有锐钛矿晶型等特征，并有极高的光催化活性。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 张青红，高濂，郭景坤. 四氯化钛水解法制备二氧化钛纳米晶的影响因素[J]. 无机材料学报. 2000,V15(6): 992～998 [2] 宋彩霞，王德宝，古国华等．CdS空心微球的制备与表征[J] .功能材料.2004，35: 3112～3114 [3] 孙静，高濂，张青红. 制备具有光催化活性的金红石相纳米氧化钛粉体[J] .化学学报.2003,61:74～77 [4] 潘祖仁.高分子化学[M]. 北京：化学工业出版社，2007 [5] 宋秀芹，杨晓辉，陈汝芬．纳米结构TiO2/PS及TiO2空心球的自组装与表征[J]．化学学报.2006，64（3）:198～ 202 [6] 杨宏考，凌芝，颜秀茹.无机化学[M]. 北京：高等教育出版社，200
同类课题研究水平概述
- 无机空心球，是一种与常见的实心球迥然不同的特殊结构材料，这种特殊结构赋予了无机空心球材料轻质、隔热、吸声、降噪等特性和功能。人们从粉煤灰漂珠的形成环境中获得启示，开始有意识地研究无机空心球的制备方法，并将这种轻质高强度的空心结构材料成功地应用于材料填充、核燃料容器、水资源净化、电流变液、吸声阻尼材料等领域。随着材料科学与其它学科的融合，越来越多的具有空心结构的无机材料被开发，这类结构独特的材料的特性也逐渐为人们所认知，各种制备方法的研究层出不穷，其应用领域也日益拓展。 到目前为止，关于聚合物空心球材料的制备研究较成熟，且其产品已广泛应用于医学、化妆品工业等领域。相比较之下，对于无机空心球领域的研究则比较欠缺。而无机材料因其在自然界中存在及应用的广泛性，其空心球的制备及应用研究将具有更高的价值。因此有必要借鉴聚合物空心球材料的研究方法改进制备工艺，设计和制备新型的无机材料空心球并使该结构材料向着材料类型更多、尺寸更小、结构更完善、性能更优的方向发展，将是今后研究的热点。 关于TiO2空心球制备方法主要是模板法和由模板法发展而来的L-b-L自组装法。模板法所得球的尺寸、几何形态、壁厚及其均一性都很难控制，使这些材料的应用及其商品化受到很大限制。模板法对于TiO2空心球的制备显出一些缺点，如覆层的结构不规则。TiO2粒子聚集，壳层厚度可控率低，并且会形成二次TiO2粒子。这些缺点可归因于TiO2溶胶前驱体比其它陶瓷的材料相对活性高。而L-b-L自组装法除需严格控制壳层材料的组分及其微观结构，它最大的局限在于聚电解质的多次吸附和洗涤提纯过程繁琐，因此相当费时。 尽管先前对TiO2空心球已有广泛研究，但开发一个简单、快捷和可行的制备均一、高密度和厚壳层的TiO2空心球的方法仍是一个挑战。因此，模板导向—软化学法的采用不仅解决了模板去除过程中，严重团聚或晶粒生长的出现，也可在一定程度上真正实现TiO2空心球的尺寸更小、结构更完善、性能更优，为其进一步在光催化领域的应用打下基础。同时该方法也可在其它纳米空心球壳结构材料的制备上有所借鉴
