專利名稱：微波制備二氧化鈦納米管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種納米技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，具體是一種微波制備二氧化鈦納米管的方法。
背景技術(shù)：
二氧化鈦納米粒子因?yàn)閮r(jià)廉、無毒、光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能的存儲(chǔ)利用、光電轉(zhuǎn)換、光致變色及光催化方面得到廣泛應(yīng)用。二氧化鈦納米管是尺寸在納米級(jí)范圍內(nèi)的一種一維納米管狀材料，有著比納米粉粒更特殊的管狀結(jié)構(gòu)，使他具有的量子效應(yīng)更具有結(jié)構(gòu)特征，用它來制備一維量子線，或作為模板劑制作其他成分的納米粒子線，從而使其更具有使用價(jià)值。二氧化鈦納米管的制備方法有模板合成法、水熱合成法、溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)法等，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。利用模板法合成的納米管管徑較大，內(nèi)徑一般在70-100nm，管壁厚在30-50nm，外徑一般在140-180nm，長約8μm，長徑比較小，反應(yīng)后需要用化學(xué)法除去模板，操作復(fù)雜；水熱合成法可得到直徑約8nm，長100nm的二氧化鈦納米管，但反應(yīng)需要高溫高壓條件，且反應(yīng)時(shí)間較長，一般要大于24小時(shí)；溶膠-凝膠法所需設(shè)備較簡(jiǎn)單，但工藝要求嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性差，其他的化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)法等需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，都有其不足之處。1967年，Williams報(bào)道了用微波加快某些化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，由此微波輻射技術(shù)擴(kuò)展到了化學(xué)領(lǐng)域。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前有大量的利用微波法合成各種納米粒子的文獻(xiàn)報(bào)道。J.N.Hart(金·恩·哈塔)在《Solar Energy Materials&Cells》(太陽能材料和太陽能電池)2004，84，135-143上發(fā)表的“Formation of anataseTiO2by microwave processing”(利用微波制備銳鈦型TiO2)，該文中提及微波合成銳鈦型TiO2中，用頻率為2.45GHz功率1kW的微波爐加熱二氧化鈦納米粒子，保溫5分鐘即可得到銳鈦型二氧化鈦納米粒子。但檢索中尚未見微波制備二氧化鈦納米管的文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提供一種微波制備二氧化鈦納米管的方法。使其反應(yīng)時(shí)間短，操作簡(jiǎn)單，條件溫和，可控性強(qiáng)，適用范圍廣。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明在反應(yīng)中利用微波加熱，以二氧化鈦納米粒子為原料，將稱量后的原料加入氫氧化鈉溶液中，在微波功率下，經(jīng)微波反應(yīng)器中反應(yīng)后，超聲處理，去離子水洗滌，抽濾，真空干燥得到管徑為8-10nm、長400nm-5μm的二氧化鈦納米管。
所述的二氧化鈦納米粒子，稱量在0.1g-0.5g之間，并經(jīng)90-800℃處理。
所述的氫氧化鈉濃度在8-12mol/L之間，所用的體積量為50-100ml。
所述的微波反應(yīng)功率在65W-455W之間。
將稱量后的原料氫氧化鈉溶液中，在2GHz超聲波作用下混合5-30min后，放入微波反應(yīng)器中，反應(yīng)時(shí)間為50-180min。
所述的超聲處理，去離子水洗滌，抽濾，是指在微波反應(yīng)器中反應(yīng)結(jié)束后，傾出上層溶液，剩余的固液混合物在超聲波作用下分散10min后，用去離子水洗滌、抽濾至濾液為中性。
所述的真空干燥，是指將樣品在90℃真空干燥箱中干燥12h，研磨過篩。
本發(fā)明由于二氧化鈦納米粒子與納米管具有不同的性能和用途，采用微波加熱方法來制備二氧化鈦納米管，就可制備具有特定性能的二氧化鈦納米管，從而促進(jìn)納米材料和相關(guān)材料制備技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，帶動(dòng)納米科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。微波條件下合成二氧化鈦納米管是將二氧化鈦納米粒子的水懸浮液體系置于微波輻射范圍內(nèi)，利用其加熱速度快、反應(yīng)靈敏、受熱體系均勻等特點(diǎn)，通過改變起始原料的濃度、反應(yīng)體系的pH值和溫度、反應(yīng)時(shí)間和加入各種添加劑等條件，快速制備均一、具有一定形貌的二氧化鈦納米管。微波功率在195W左右較好，功率太低所得納米管結(jié)構(gòu)較差，過高亦形不成納米管，且過高的功率使能耗過大。反應(yīng)時(shí)間大于70min即可形成納米管結(jié)構(gòu)產(chǎn)物。反應(yīng)結(jié)束直接抽濾對(duì)納米管的形貌影響較小。
本發(fā)明提出采用微波法制備二氧化鈦納米管，反應(yīng)時(shí)間短，操作簡(jiǎn)單，條件溫和，可控性強(qiáng)，適用范圍廣，具有重要的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)本發(fā)明微波制備二氧化鈦納米管，所得的二氧化鈦納米管具有良好的形貌和結(jié)構(gòu)，在高分辨透射電鏡下顯示中空、開口、多層管壁的納米管結(jié)構(gòu)，作為一種特殊結(jié)構(gòu)和功能的納米管，在納米科學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等方面將有廣泛的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例闡明本發(fā)明的突出特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，而不是限制本發(fā)明的使用范圍。
實(shí)施例1稱取0.10g經(jīng)500℃處理的銳鈦型二氧化鈦納米粒子，裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入50ml8mol/L的氫氧化鈉溶液中，在2GHz的超聲波反應(yīng)器中超聲10分鐘，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中；調(diào)節(jié)微波功率為195W，反應(yīng)時(shí)間70分鐘，啟動(dòng)微波反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向燒杯中傾出反應(yīng)液，冷卻片刻，再超聲10分鐘，利用砂芯漏斗進(jìn)行抽濾，去離子水洗滌，直至中性；抽干后，取出樣品放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度為90℃，真空泵抽至真空，然后保溫12小時(shí)，干燥結(jié)束取出干燥物，用瑪瑙研缽研磨100目篩過篩得到產(chǎn)物，在透射電鏡下觀察可得到管徑約8nm、長2μm、形貌均一良好的二氧化鈦納米管。
實(shí)施例2稱取0.25g經(jīng)500℃處理的銳鈦型二氧化鈦納米粒子，裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入50ml10mol/L的氫氧化鈉溶液中，在2GHz的超聲波反應(yīng)器中超聲10分鐘，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中；調(diào)節(jié)微波功率為195W，反應(yīng)時(shí)間70分鐘，啟動(dòng)微波反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向燒杯中傾出反應(yīng)液，冷卻片刻，再超聲10分鐘，利用砂芯漏斗進(jìn)行抽濾，去離子水洗滌，直至中性；抽干后，取出樣品放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度為90℃，真空泵抽至真空，然后保溫12小時(shí)，干燥結(jié)束取出干燥物，用瑪瑙研缽研磨100目篩過篩得到產(chǎn)物，在透射電鏡下觀察可得到管徑約8nm、長5μm、形貌均一良好的二氧化鈦納米管。
實(shí)施例3稱取0.50g經(jīng)500℃處理的銳鈦型二氧化鈦納米粒子，裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入50ml12mol/l的氫氧化鈉溶液中，在2GHz的超聲波反應(yīng)器中超聲10分鐘，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中；調(diào)節(jié)微波功率為195W，反應(yīng)時(shí)間70分鐘，啟動(dòng)微波反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向燒杯中傾出反應(yīng)液，冷卻片刻，再超聲10分鐘，利用砂芯漏斗進(jìn)行抽濾，去離子水洗滌，直至中性；抽干后，取出樣品放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度為90℃，真空泵抽至真空，然后保溫12小時(shí)，干燥結(jié)束取出干燥物，用瑪瑙研缽研磨100目篩過篩得到產(chǎn)物，在透射電鏡下觀察可看到有少量顆粒存在、得到管徑約8nm、長400nm、形貌較均一良好的二氧化鈦納米管。
實(shí)施例4稱取0.25g經(jīng)90℃處理的銳鈦型二氧化鈦納米粒子，裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入100ml8mol/L的氫氧化鈉溶液中，在2GHz的超聲波反應(yīng)器中超聲10分鐘，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中；調(diào)節(jié)微波功率為195W，反應(yīng)時(shí)間70分鐘，啟動(dòng)微波反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向燒杯中傾出反應(yīng)液，冷卻片刻，再超聲10分鐘，利用砂芯漏斗進(jìn)行抽濾，去離子水洗滌，直至中性；抽干后，取出樣品放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度為90℃，真空泵抽至真空，然后保溫12小時(shí)，干燥結(jié)束取出干燥物，用瑪瑙研缽研磨100目篩過篩得到產(chǎn)物，在透射電鏡下觀察可得到管徑約10nm、長5μm、形貌均一良好的二氧化鈦納米管。
實(shí)施例5稱取0.25g經(jīng)800℃處理二氧化鈦納米粒子(金紅石型)，裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入100ml10mol/L的氫氧化鈉溶液中，在2GHz的超聲波反應(yīng)器中超聲10分鐘，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中；調(diào)節(jié)微波功率為195W，反應(yīng)時(shí)間70分鐘，啟動(dòng)微波反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向燒杯中傾出反應(yīng)液，冷卻片刻，再超聲10分鐘，利用砂芯漏斗進(jìn)行抽濾，去離子水洗滌，直至中性；抽干后，取出樣品放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度為90℃，真空泵抽至真空，然后保溫12小時(shí)，干燥結(jié)束取出干燥物，用瑪瑙研缽研磨100目篩過篩得到產(chǎn)物，在透射電鏡下觀察可得到管徑約8nm、長5μm、形貌均一良好的二氧化鈦納米管。
實(shí)施例6稱取0.25g經(jīng)500℃處理的銳鈦型二氧化鈦納米粒子，裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入100ml12mol/L的氫氧化鈉溶液中，在2GHz的超聲波反應(yīng)器中超聲10分鐘，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中；調(diào)節(jié)微波功率為65W，反應(yīng)時(shí)間70分鐘，啟動(dòng)微波反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向燒杯中傾出反應(yīng)液，冷卻片刻，再超聲10分鐘，利用砂芯漏斗進(jìn)行抽濾，去離子水洗滌，直至中性；抽干后，取出樣品放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度為90℃，真空泵抽至真空，然后保溫12小時(shí)，干燥結(jié)束取出干燥物，用瑪瑙研缽研磨100目篩過篩得到產(chǎn)物，在透射電鏡下觀察可看到少量片狀物存在，其管徑約10nm、長2μm、形貌較均一良好的二氧化鈦納米管。
實(shí)施例7稱取0.25g經(jīng)500℃處理的銳鈦型二氧化鈦納米粒子，裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入100ml10mol/L的氫氧化鈉溶液中，在2GHz的超聲波反應(yīng)器中超聲10分鐘，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中；調(diào)節(jié)微波功率為455W，反應(yīng)時(shí)間70分鐘，啟動(dòng)微波反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向燒杯中傾出反應(yīng)液，冷卻片刻，再超聲10分鐘，利用砂芯漏斗進(jìn)行抽濾，去離子水洗滌，直至中性；抽干后，取出樣品放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度為90℃，真空泵抽至真空，然后保溫12小時(shí)，干燥結(jié)束取出干燥物，用瑪瑙研缽研磨100目篩過篩得到產(chǎn)物，在透射電鏡下觀察可得到管徑約10nm、長1μm、形貌均一良好的二氧化鈦納米管。
實(shí)施例8稱取0.25g經(jīng)500℃處理的銳鈦型二氧化鈦納米粒子，裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入50ml 10mol/L的氫氧化鈉溶液中，在2GHz的超聲波反應(yīng)器中超聲10分鐘，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中；調(diào)節(jié)微波功率為195W，反應(yīng)時(shí)間50分鐘，啟動(dòng)微波反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向燒杯中傾出反應(yīng)液，冷卻片刻，再超聲10分鐘，利用砂芯漏斗進(jìn)行抽濾，去離子水洗滌，直至中性；抽干后，取出樣品放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度為90℃，真空泵抽至真空，然后保溫12小時(shí)，干燥結(jié)束取出干燥物，用瑪瑙研缽研磨100目篩過篩得到產(chǎn)物，在透射電鏡下觀察可得到管徑約8nm、長5μm、形貌均一良好的二氧化鈦納米管。
實(shí)施例9稱取0.25g經(jīng)500℃處理的銳鈦型二氧化鈦納米粒子，裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入50ml 10mol/L的氫氧化鈉溶液中，在2GHz的超聲波反應(yīng)器中超聲10分鐘，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中；調(diào)節(jié)微波功率為195W，反應(yīng)時(shí)間180分鐘，啟動(dòng)微波反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向燒杯中傾出反應(yīng)液，冷卻片刻，再超聲10分鐘，利用砂芯漏斗進(jìn)行抽濾，去離子水洗滌，直至中性；抽干后，取出樣品放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度為90℃，真空泵抽至真空，然后保溫12小時(shí)，干燥結(jié)束取出干燥物，用瑪瑙研缽研磨100目篩過篩得到產(chǎn)物，在透射電鏡下觀察可得到管徑約10nm、長2μm、形貌均一良好的二氧化鈦納米管。
權(quán)利要求
1.一種微波制備二氧化鈦納米管的方法，其特征在于，在反應(yīng)中利用微波加熱，以二氧化鈦納米粒子為原料，將稱量后的原料加入氫氧化鈉溶液中，在微波功率下，經(jīng)微波反應(yīng)器中反應(yīng)后，超聲處理，去離子水洗滌，抽濾，真空干燥得到管徑為8-10nm、長400nm-5μm的二氧化鈦納米管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波制備二氧化鈦納米管的方法，其特征是，所述的二氧化鈦納米粒子，稱量在0.1g-0.5g之間，并經(jīng)90-800℃處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波制備二氧化鈦納米管的方法，其特征是，所述的氫氧化鈉濃度在8-12mol/L之間，所用的體積量為50-100ml。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波制備二氧化鈦納米管的方法，其特征是，所述的微波反應(yīng)功率在65W-455W之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波制備二氧化鈦納米管的方法，其特征是，將稱量后的原料氫氧化鈉溶液中，在2GHz超聲波作用下混合5-30min后，放入微波反應(yīng)器中，反應(yīng)時(shí)間為50-180min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波制備二氧化鈦納米管的方法，其特征是，所述的超聲處理，去離子水洗滌，抽濾，是指在微波反應(yīng)器中反應(yīng)結(jié)束后，傾出上層溶液，剩余的固液混合物在超聲波作用下分散10min后，用去離子水洗滌、抽濾至濾液為中性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波制備二氧化鈦納米管的方法，其特征是，所述的真空干燥，是指將樣品在90℃真空干燥箱中干燥12h，研磨過篩。
全文摘要
一種微波制備二氧化鈦納米管的方法，用于納米技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在反應(yīng)中利用微波加熱，以二氧化鈦納米粒子為原料，將稱量后的原料加入氫氧化鈉溶液中，在微波功率下，經(jīng)微波反應(yīng)器中反應(yīng)后，超聲處理，去離子水洗滌，抽濾，真空干燥得到管徑為8－10nm、長400nm－5μm的二氧化鈦納米管。本發(fā)明提出采用微波法制備二氧化鈦納米管，反應(yīng)時(shí)間短，操作簡(jiǎn)單，條件溫和，可控性強(qiáng)，適用范圍廣，具有重要的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)本發(fā)明微波制備二氧化鈦納米管，所得的二氧化鈦納米管具有良好的形貌和結(jié)構(gòu)，在高分辨透射電鏡下顯示中空、開口、多層管壁的納米管結(jié)構(gòu)，作為一種特殊結(jié)構(gòu)和功能的納米管，在納米科學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等方面將有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B82B3/00GK1733609SQ20051002757
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者吳省, 蔣淇忠, 馬紫峰, 楊俊鵬, 上官文峰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)