一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法，以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，經過高溫煅燒、離子交換和插層剝離工藝，得到單原子層氧化鈦納米片膠體溶液，具體包括如下步驟：1)高溫煅燒：以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，按一定比例混合經過高溫煅燒，自然冷卻至室溫，得到混合初產物；2)離子交換：將混合初產物分散在鹽酸溶液當中形成分散液，將分散液在室溫下陳化一段時間，隨后通過過濾、清洗、烘干步驟收集得到粉體產物；3)插層剝離：將粉體產物分散在水溶液當中，隨后加入一定量的有機銨鹽，混合均勻，在水平搖床上震蕩一段時間，即得到均一穩定的單原子層氧化鈦納米片膠體溶液。方法簡便、成本低、污染小、可量產。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及到化工新材料合成、光催化的
，特別涉及到一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法。
技術介紹
自從英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆教授等關于石墨烯的研究被授予2010年諾貝爾物理獎以來，石墨烯以其具有單個或者多個碳原子層厚度的結構特征、極高的電子遷移率、良好的機械柔韌性、化學穩定性和光學透明性，以及優異的導電、導熱性能，在鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池、導熱膜等方面展現出廣闊的應用前景。作為具有類似石墨烯結構的二維無機材料，也收到關注和重視，如二維硫化物(MoS2,WS2等)，相對石墨烯而言具有合適的半導體帶隙，在電子器件方法具有很高的研究和應用價值。氧化鈦作為重要的半導體功能材料，以其綠色無毒、化學活性高、光催化性能優異等優點，在自清潔涂料、光降解涂層、能源存儲等領域得到了廣泛的應用。目前已經制備出了不同維度和形貌的氧化鈦納米結構，如零維氧化鈦納米顆粒、一維的納米管、納米線等，呈現出新的物理化學特性。這類新型結構設計當中，具有類似石墨烯結構的二維單原子層超薄氧化鈦納米片，具有原子級的平整表面和一納米的超薄厚度，因而具備高的光電化學活性和優異的膠體溶液分散性，在自清潔、光催化涂層和電化學儲能等方面具有巨大的應用價值。現有關于上述二維單原子層超薄氧化鈦納米片的技術文獻較少，中國專利文獻號CN104085920A公開(公告)日2014.10.28，公開了一種二維片狀氧化鈦
納米片材料的制備方法，該技術以三維Ti2AlC2粉末為原料，將其浸泡在HF當中以去除Al原子，從而得到保留二維結構的TiO2納米片，然而該工藝存在反應體系具有強腐蝕性和污染性的HF，而且產物的厚度分布不均，大部分在10納米以上，達不到單層的厚度。中國專利文獻號CN104628030A公開(公告)日2015.05.20，公開了一種無氟二維氧化鈦片層材料的制備方法，該方法采用溶劑熱工藝通過濃鹽酸抑制異丙醇鈦水解，得到類似石墨烯結構的氧化鈦粉體。該工藝降低了污染性，得到的納米片厚度在2-5nm，純度上仍然達不到單層氧化鈦的標準，而且不易于大規模批量生產。因此，開發一種新的方法用來獲得高純度的單原子層氧化鈦薄片，并具有良好的穩定性和可批量生產，將具有重要的意義。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法，通過高溫煅燒、離子交換和插層剝離，得到了純度大于95％的均一穩定的單原子層氧化鈦納米片膠體溶液，且方法操作簡便、對環境污染小、可以批量生產。為此，本專利技術采用以下技術方案：一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法，以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，經過高溫煅燒、離子交換和插層剝離工藝，得到單原子層氧化鈦納米片膠體溶液，具體包括如下步驟：1)高溫煅燒：以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，按一定比例混合經過高溫煅燒，自然冷卻至室溫，得到混合初產物；2)離子交換：將混合初產物分散在鹽酸溶液當中形成分散液，將分散液在室溫下陳化一段時間，隨后通過過濾、清洗、烘干步驟收集得到粉體產物；3)插層剝離：將粉體產物分散在水溶液當中，隨后加入一定量的有機銨鹽，混合均勻，在水平搖床上震蕩一段時間，即得到均一穩定的單原子層氧化鈦納米片膠體溶液溶液。優選的，所述單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的純度大于95％，所述單原子層氧化鈦納米片的邊長為100-1000nm、厚度為1.5-1.7nm，其中鈦元素和氧元素的質量比為0.87:1—0.91:1。優選的，所述鈦源、鉀源、鋰源的混合比例為鋰元素含量、鉀元素含量、鈦元素含量的摩爾比為：1:(2～10):(5～30)。優選的，所述鈦源為工業氧化鈦中的一種或幾種的任意比例混合物；所述鉀源為工業氯化鉀、硝酸鉀、碳酸鉀、硫酸鉀、磷酸鉀或者溴化鉀中的一種或幾種的任意比例混合物；所述鋰源為工業氯化鋰、硝酸鋰、碳酸鋰、硫酸鋰、磷酸鋰或者溴化鋰中的一種或幾種的任意比例混合物。優選的，所述高溫煅燒包括如下步驟：1)初燒：將原始反應物在研缽中研磨10-50分鐘，放入鉑金坩堝中，在600℃—900℃下放在箱式電阻爐內煅燒1-5小時，升溫速率為1℃/min—10℃/min，隨后從箱式電阻爐膛中直接取出驟冷，并在研缽中研磨10-50分鐘；2)終燒：將研磨之后的初燒產物放入鉑金坩堝中，在900℃—1800℃下置于箱式電阻爐內煅燒10-72小時。優選的，所述鹽酸溶液的濃度為0.1mol/L—10mol/L，所述分散液的濃度為1g/L—20g/L；優選的，所述陳化時間為1-8天，并且每間隔一天更換相同濃度的鹽酸溶液一次。優選的，所述過濾、清洗、干燥步驟包括如下：1)過濾：將陳化后的分散液，經過過濾，得到含水粉體產物；2)清洗：以去離子水、無水乙醇或者丙酮中的一種或者幾種的任意比例混合溶劑清洗上述含水粉體產物，直至pH值在7.0-9.0之間；3)干燥：將清洗后的含水粉體產物在烘箱中以50℃—150℃烘干5-24小時，得到干燥的粉體產物。優選的，所述有機銨鹽的在水溶液當中的質量百分比濃度為0.1％—5％，所述有機銨鹽為四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨、四丙基氫氧化銨或者四丁基氫氧化銨中的一種或幾種的任意比例混合物。優選的，所述在水平搖床上震蕩的時間為2—40天，震蕩速度為100—300rpm。本專利技術采用以上技術方案，具有以下技術效果：1)本專利技術采用的煅燒和插層剝離工藝，工藝簡便、易于大批量工業化生產；而采用溶劑熱方法的體系，存在難以批量生產和工藝成本昂貴等不足；2)本專利技術得到的氧化鈦膠體溶液，其中氧化鈦納米薄片的厚度在1.5-1.7nm之間，相對其他工藝而言，具有更小的厚度，達到了單原子層的理論值；2)本專利技術得到的氧化鈦膠體溶液，其中單原子層氧化鈦納米片的純度高達95％，其產率遠遠高于其他工藝，在光催化降解、自清潔涂層、鋰離子電池、超級電容器領域具有巨大的應用前景。附圖說明圖1為本專利技術實施例一單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的TEM透射電鏡圖。圖2為本專利技術實施例一單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的原子力顯微鏡圖和單原子層氧化鈦納米片的尺寸對照圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、特征和優點更加的清晰，以下結合附圖及實施例，對本專利技術的具體實施方式做出更為詳細的說明，在下面的描述中，闡述了很多具體的細節以便于充分的理解本專利技術，但是本專利技術能夠以很多不同于描述的其他方式來實施。因此，本專利技術不受以下公開的具體實施的限制。一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法，以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，經過高溫煅燒、離子交換和插層剝離工藝，得到單原子層氧化鈦納米片膠體溶液，具體包括如下步驟：1)高溫煅燒：以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，按一定比例混合經過高溫煅燒，自然冷卻至室溫，得到混合初產物；2)離子交換：將混合初產物分散在鹽酸溶液當中形成分散液，將分散液在室溫下陳化一段時間，隨后通過過濾、清洗、烘干步驟收集得到粉體產物；3)插層剝離：將粉體產物分散在水溶液當中，隨后加入一定量的有機銨鹽，混合均勻，在水平搖床上震蕩一段時間，即得到均一穩定的單原子層氧化鈦納米片膠體溶液。其中，所述單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的純度大于95％，所述單原子層氧化鈦納米片的邊長為100-1000nm、厚度為1.5-1.7nm，其中鈦元本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法，其特征在于，以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，經過高溫煅燒、離子交換和插層剝離工藝，得到單原子層氧化鈦納米片膠體溶液，具體包括如下步驟：1)高溫煅燒：以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，按一定比例混合經過高溫煅燒，自然冷卻至室溫，得到混合初產物；2)離子交換：將混合初產物分散在鹽酸溶液當中形成分散液，將分散液在室溫下陳化一段時間，隨后通過過濾、清洗、烘干步驟收集得到粉體產物；3)插層剝離：將粉體產物分散在水溶液當中，隨后加入一定量的有機銨鹽，混合均勻，在水平搖床上震蕩一段時間，即得到均一穩定的單原子層氧化鈦納米片膠體溶液。

【技術特征摘要】
1.一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法，其特征在于，以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，經過高溫煅燒、離子交換和插層剝離工藝，得到單原子層氧化鈦納米片膠體溶液，具體包括如下步驟：1)高溫煅燒：以鈦源、鉀源、鋰源為原始反應物，按一定比例混合經過高溫煅燒，自然冷卻至室溫，得到混合初產物；2)離子交換：將混合初產物分散在鹽酸溶液當中形成分散液，將分散液在室溫下陳化一段時間，隨后通過過濾、清洗、烘干步驟收集得到粉體產物；3)插層剝離：將粉體產物分散在水溶液當中，隨后加入一定量的有機銨鹽，混合均勻，在水平搖床上震蕩一段時間，即得到均一穩定的單原子層氧化鈦納米片膠體溶液。2.根據權利要求1所述的一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法，其特征在于，所述單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的純度大于95％，所述單原子層氧化鈦納米片的邊長為100-1000nm、厚度為1.5-1.7nm，其中鈦元素和氧元素的質量比為0.87:1—0.91:1。3.根據權利要求1所述的一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法，其特征在于，所述鈦源、鉀源、鋰源的混合比例為鋰元素含量、鉀元素含量、鈦元素含量的摩爾比為：1:(2～10):(5～30)。4.根據權利要求1或者3所述的一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法，其特征在于，所述鈦源為工業氧化鈦中的一種或幾種的任意比例混合物；所述鉀源為工業氯化鉀、硝酸鉀、碳酸鉀、硫酸鉀、磷酸鉀或者溴化鉀中的一種或幾種的任意比例混合物；所述鋰源為工業氯化鋰、硝酸鋰、碳酸鋰、硫酸鋰、磷酸鋰或者溴化鋰中的一種或幾種的任意比例混合物。5.根據權利要求1所述的一種單原子層氧化鈦納米片膠體溶液的制備方法， 其特征在于，所述高溫煅燒包括如下步驟...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡罕生，劉暉霞，
申請(專利權)人：無錫治潔超材料科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32