专利名称：一种制备微米级有序多孔氮杂氧化钛微球的方法
技术领域：
本发明属于多孔光催化材料领域，特别涉及一种制备微米级有序多孔氮杂氧化钛微球的方法。
背景技术：
锐钛型纳米二氧化钛经紫外光照射可以分解有毒化学品、烟雾残留物、恶臭化学品、脏物、刺激物、细菌等等为无毒、无污染的物质，当紫外(波长＜388nm)照射时其价带中的电子被激发形成带负电的高活性电子，同时产生带正电的价带空穴，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。空穴和电子分别与表面的水和氧气反应产生高反应活性的羟基自由基和超氧离子自由基，这些自由基能有效地分解有毒化学品。因此，引起人们的极大兴趣，希望利用这种光催化特性解决日益加剧的地球环境污染问题。
锐钛型纳米二氧化钛只有在紫外光照射下才具有催化功能，而自然光中紫外光的含量太少，只占到达地面的太阳光辐射总量的4-6％，且随着时间变化明显，人工产生紫外光耗电量大、还需投入较高设备费，大面积紫外光照射的费用更高甚至难于实现。如果能扩展光催化剂的光谱利用范围，以太阳光作为光源，则可使设备投资和运行成本大大降低，使得在自然环境中去污等成为可能。为了实现这一宏大目标，很多学者开展了这一领域的研究工作。
Asahi(Science，2001，293(5528)269)采用30％的N2/Ar混合气体处理锐钛型纳米二氧化钛TiO2薄膜或采用67％的NH3/Ar混合气体处理锐钛型TiO2纳米微粉4小时，分别制备了氮杂氧化钛TiO2-xNx纳米薄膜和纳米微粉。这种纳米材料在可见光即波长＜500nm的光照射下使乙醛等分解为二氧化碳和水。但是该方法反应时间长，并且还需要氩气，因而成本太高。
刘长生，马志斌(ZL03119056.1)等采用等离子体法制备了纳米氮杂氧化钛粉体和薄膜材料，明显提高了紫外光催化能力，在可见光即波长＜500nm的光照射下，含0.5克纳米氮杂氧化钛的10毫升1％的甲基橙溶液，经太阳光照射下30-50min，其颜色退至无色。此外，二氧化钛光催化剂应用于实际污染物治理，虽已取得了一定的成效，但是在利用纳米粉悬浮体系进行光催化时，由于其颗粒细微，不易沉淀，催化剂难以回收，活性成分损失大，不利于催化剂的再生与再利用。因此，要实现光催化技术的大规模应用，就必须解决光催化剂纳米分散所带来的负面影响。设计具有特殊结构的催化剂不但可以解决催化剂分离回收的问题，还可以克服粉末催化剂稳定性差和容易中毒的缺点，利于提高催化剂的催化效率。
与此同时，上世纪90年代末，Velev(Nature，1997，389447～448)等用胶体晶体模板法成功地制备了三维有序大孔(3DOM)材料，使大孔材料的研究进入了一个新阶段。这种孔径分布窄，孔道排列整齐有序，孔道内部互穿的三维有序多孔材料使制备具有特殊结构的光催化材料成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备微米级有序多孔氮杂氧化钛微球的方法，该方法工艺简单，所制备的微米级有序多孔氮杂氧化钛微球具有有序多孔及可见光催化性能，且多孔结构不易遭破坏。
为实现上述目的，本发明的技术方案是一种制备微米级有序多孔氮杂氧化钛微球的方法，其特征在于它包括如下步骤1)将质量分数为1.0％～5.0％的单分散聚合物微球乳液分散于黏度为50～1000cst的疏水硅油中形成悬浮液，其中质量分数为1.0％～5.0％的单分散聚合物微球乳液与黏度为50～1000cst的疏水硅油的质量比为2.5～3.5g∶60～70g，并控制搅拌速度为300～600rpm，先于60℃下恒温搅拌6h，而后升温至80℃继续搅拌12h，随着悬浮液中水分不断挥发，单分散聚合物微球聚集在一起形成大微球，得到含有大微球的悬浮液；用目数为350目的筛网过滤含有大微球的悬浮液即得粒径为50μm～200μm的由单分散聚合物微球聚集形成的大微球；2)分别用正己烷、异丙醇和乙醇洗涤大微球，以除去其表面残留的疏水硅油，经真空50℃干燥12h后，用二氧化钛前驱体溶液浸泡大微球7天，之后用350目筛网过滤，将过滤所得大微球与二氧化钛前驱体的复合物置于空气中48h，使钛的醇盐充分水解，而后于60℃真空烘箱中干燥12h，再于500℃下烧结5h，除去复合物中的单分散聚合物微球，即得微米级有序多孔二氧化钛微球；所述的二氧化钛前驱体溶液由钛的醇盐与无水乙醇混合而成，钛的醇盐与无水乙醇的摩尔比为3∶4；3)将微米级有序多孔二氧化钛微球放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速10～50cm3/min、微波功率200～1000W、温度200～500℃、辐照处理1～60min，即得微米级有序多孔氮杂氧化钛微球。
所述的单分散聚合物微球为聚苯乙烯微球(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯微球(PMMA)、聚(苯乙烯-丙烯酸)共聚物微球(P(St-AA))、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)共聚物微球(P(St-MAA))、聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)共聚物微球(P(MMA-AA))或聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸)共聚物微球(P(MMA-MAA))。
所述的疏水硅油为甲基硅油或二甲基硅油。
所述的钛的醇盐为钛酸甲酯、钛酸乙酯、钛酸丙酯或钛酸丁酯。
本发明的有益效果是1、以单分散聚合物微球为模板制备的微米级有序多孔氮杂氧化钛微球(微米级有序多孔二氧化钛微球)的球形度好，孔径呈有序分布，孔道内部互穿；2、制备的微米级有序多孔氮杂氧化钛微球具有一定强度，多孔结构不易遭破坏，；3、本发明的制备工艺简单。
4、制备的微米级有序多孔氮杂氧化钛微球具有可见光催化性能，且光催化性能好。
铬酸根光催化降解率实验表明，采用本发明制备的微米级有序多孔氮杂氧化钛微球比未改性的微米级有序多孔二氧化钛微球具有更好的光催化性能(见表1)，吸光度越小，体系中铬酸根浓度越少，被降解的铬酸根越多，光催化性能越好。称取0.5g氮杂氧化钛于50mL烧杯中，滴加1.6mLCr2O72-溶液(Cr(VI)含量0.08g/L)后，萤光高压汞灯照射8min，后取出并冷却，然后加水15mL并摇匀，离心沉降，取10mL上层清液转入25mL比色管，加入0.3mL浓度为1mol/L的H2SO4，摇匀静置，再加入0.5mL二苯胺基脲(DCPI)，迅速用水稀至25mL，立即摇匀，静置5min后放入岛津2100型紫外可见光光度计中，在波长540nm处测定溶液的吸光度。
表1
图1是本发明的工艺流程图。
图中1先于60℃下恒温搅拌6h，而后升温至80℃继续搅拌12h；2.用二氧化钛前驱体浸泡大微球；3.500℃烧结5h除去复合物中的单分散聚合物微球；4.氮等离子体辐照改性。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1如图1所示，将3g质量分数为1.5％的聚苯乙烯微球(PS)(微球粒径为190nm)乳液分散于60g黏度为100cst的甲基硅油中形成悬浮液，控制搅拌速度为400rpm，先于60℃下恒温搅拌6h，后升温至80℃并继续搅拌12h，随着悬浮液中水分不断挥发，聚苯乙烯微球(PS)聚集在一起形成大微球，得到含有大微球的悬浮液；用目数为350目的筛网过滤含有大微球的悬浮液即得粒径为80μm的由聚苯乙烯微球(PS)聚集形成的大微球。
然后分别用正己烷、异丙醇和乙醇洗涤大微球，以除去其表面残留的甲基硅油，经真空50℃干燥12h后，再用二氧化钛前驱体溶液(二氧化钛前驱体溶液由钛酸甲酯和无水乙醇组成，钛酸甲酯与无水乙醇的摩尔比为3∶4)浸泡大微球一星期，之后用350目筛网过滤，将过滤所得大微球与二氧化钛前驱体的复合物置于空气中48h，使钛酸甲酯充分水解(水解形成微球/二氧化钛复合物)，而后于60℃真空烘箱中干燥12h，再于500℃下烧结5h，除去复合物中的聚苯乙烯微球(PS)，即得微米级有序多孔二氧化钛微球。
最后，将微米级有序多孔二氧化钛微球放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速10cm3/min、微波功率300W、温度300℃、辐照处理15min，即得微米级有序多孔氮杂氧化钛微球。称取这种微球0.2克于10毫升1％的甲基橙溶液中，用太阳光照射下15min，其颜色退至无色。
实施例2将3.2g质量分数为2.5％的聚甲基丙烯酸甲酯微球(PMMA)(微球粒径为500nm)乳液分散于65g黏度为200cst的甲基硅油中形成悬浮液，控制搅拌速度为380rpm，先于60℃下恒温搅拌6h，后升温至80℃并继续搅拌12h，随着悬浮液中水分不断挥发，聚甲基丙烯酸甲酯微球(PMMA)聚集在一起形成大微球，得到含有大微球的悬浮液；用目数为350目的筛网过滤含有大微球的悬浮液即得粒径为150μm的由聚甲基丙烯酸甲酯微球(PMMA)聚集形成的大微球。
然后分别用正己烷、异丙醇和乙醇洗涤大微球，以除去其表面残留的甲基硅油，经真空50℃干燥12h后，再用二氧化钛前驱体溶液(二氧化钛前驱体溶液由钛酸乙酯和无水乙醇组成，钛酸乙酯与无水乙醇的摩尔比为3∶4)浸泡大微球一星期，之后用350目筛网过滤，将过滤所得大微球与前驱体的复合物置于空气中48h，使钛酸乙酯充分水解，而后于60℃真空烘箱中干燥12h，再于500℃下烧结5h，除去复合物中的聚甲基丙烯酸甲酯微球(PMMA)，即得微米级有序多孔二氧化钛微球。
最后，将微米级有序多孔二氧化钛微球放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速30cm3/min、微波功率500W、温度400℃、辐照处理30min，即得微米级有序多孔氮杂氧化钛微球。称取这种微球0.2克于10毫升1％的甲基橙溶液中，用太阳光照射下15min，其颜色退至无色。
实施例3将3.5g质量分数为3.0％的聚(苯乙烯-丙烯酸)共聚物微球(微球粒径为600nm)乳液分散于70g黏度为500cst的二甲基硅油中形成悬浮液，控制搅拌速度为500rpm，先于60℃下恒温搅拌6h，后升温至80℃并继续搅拌12h，随着悬浮液中水分不断挥发，聚(苯乙烯-丙烯酸)共聚物微球聚集在一起形成大微球，得到含有大微球的悬浮液；用目数为350目的筛网过滤含有大微球的悬浮液即得粒径为180μm的由聚(苯乙烯-丙烯酸)共聚物微球聚集形成的大微球。
然后分别用正己烷、异丙醇和乙醇洗涤大微球，以除去其表面残留的二甲基硅油，经真空50℃干燥12h后，再用二氧化钛前驱体溶液(二氧化钛前驱体溶液由钛酸丙酯和无水乙醇组成，钛酸丙酯与无水乙醇的摩尔比为3∶4)浸泡大微球一星期，之后用350目筛网过滤，将过滤所得大微球与前驱体的复合物置于空气中48h，使钛酸丙酯充分水解，而后于60℃真空烘箱中干燥12h，再于500℃下烧结5h，除去复合物中的单分散聚(苯乙烯-丙烯酸)共聚物微球，即得微米级有序多孔二氧化钛微球。
最后，将微米级有序多孔二氧化钛微球放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速50cm3/min、微波功率800W、温度450℃、辐照处理50min，即得微米级有序多孔氮杂氧化钛微球。称取这种微球0.2克于10毫升1％的甲基橙溶液中，用太阳光照射下50min，其颜色退至无色。
实施例4将3.0g质量分数为2.6％的聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)共聚物微球(微球粒径为800nm)乳液分散于64g黏度为1000cst的甲基硅油中形成悬浮液，控制搅拌速度为600rpm，先于60℃下恒温搅拌6h，后升温至80℃并继续搅拌12h，随着悬浮液中水分不断挥发，聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)共聚物微球聚集在一起形成大微球，得到含有大微球的悬浮液。用目数为350目的筛网过滤含有大微球的悬浮液即得粒径为200μm的由聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)共聚物微球聚集形成的大微球。
然后分别用正己烷、异丙醇和乙醇洗涤大微球，以除去其表面残留的甲基硅油，经真空50℃干燥12h后，再用二氧化钛前驱体溶液(二氧化钛前驱体溶液由钛酸丁酯和无水乙醇组成，钛酸丁酯与无水乙醇的摩尔比为3∶4)浸泡大微球一星期，之后用350目筛网过滤，将过滤所得大微球与前驱体的复合物置于空气中48h，使钛酸丁酯充分水解，而后于60℃真空烘箱中干燥12h，再于500℃下烧结5h，除去复合物中的聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)共聚物微球，即得微米级有序多孔二氧化钛微球。
最后，将微米级有序多孔二氧化钛微球放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速25cm3/min、微波功率600W、温度350℃、辐照处理30min，即得微米级有序多孔氮杂氧化钛微球。称取这种微球0.2克于10毫升1％的甲基橙溶液中，用太阳光照射下12min，其颜色退至无色。
实施例5将3.0g质量分数为4.5％的聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)共聚物微球(微球粒径为400nm)乳液分散于70g黏度为50cst的甲基硅油中形成悬浮液，控制搅拌速度为500rpm，先于60℃下恒温搅拌6h，后升温至80℃并继续搅拌12h，随着悬浮液中水分不断挥发，聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)共聚物微球聚集在一起形成大微球，得到含有大微球的悬浮液；用目数为350目的筛网过滤含有大微球的悬浮液即得粒径为120μm的由聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)共聚物微球聚集形成的大微球。
然后分别用正己烷、异丙醇和乙醇洗涤大微球，以除去其表面残留的甲基硅油，经真空50℃干燥12h后，再用二氧化钛前驱体溶液(二氧化钛前驱体溶液由钛酸丁酯和无水乙醇组成，钛酸丁酯与无水乙醇的摩尔比为3∶4)浸泡大微球一星期，之后用350目筛网过滤，将过滤所得大微球与前驱体的复合物置于空气中48h，使钛酸丁酯充分水解，而后于60℃真空烘箱中干燥12h，再于500℃下烧结5h，除去复合物中的聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)共聚物微球，即得微米级有序多孔二氧化钛微球。
最后，将微米级有序多孔二氧化钛微球放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速40cm3/min、微波功率1000W、温度500℃、辐照处理60min，即得微米级有序多孔氮杂氧化钛微球。称取这种微球0.2克于10毫升1％的甲基橙溶液中，用太阳光照射下8min，其颜色退至无色。
实施例6将2.5g质量分数为5.0％的聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸)共聚物微球(微球粒径为300nm)乳液分散于60g黏度为800cst的二甲基硅油中形成悬浮液，控制搅拌速度为550rpm，先于60℃下恒温搅拌6h，后升温至80℃并继续搅拌12h，随着悬浮液中水分不断挥发，聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸)共聚物微球聚集在一起形成大微球，得到含有大微球的悬浮液；用目数为350目的筛网过滤含有大微球的悬浮液即得粒径为50μm的由聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸)共聚物微球聚集形成的大微球。
然后分别用正己烷、异丙醇和乙醇洗涤大微球，以除去其表面残留的二甲基硅油，经真空50℃干燥12h后，再用二氧化钛前驱体溶液(钛酸乙酯与无水乙醇的摩尔比为3∶4)浸泡大微球一星期，之后用350目筛网过滤，将过滤所得大微球与前驱体的复合物置于空气中48h，使钛酸乙酯充分水解，而后于60℃真空烘箱中干燥12h，再于500℃下烧结5h，除去复合物中的聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸)共聚物微球，即得微米级有序多孔二氧化钛微球。
最后，将微米级有序多孔二氧化钛微球放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速10cm3/min、微波功率200W、温度200℃、辐照处理1min，即得微米级有序多孔氮杂氧化钛微球。称取这种微球0.2克于10毫升1％的甲基橙溶液中，用太阳光照射下20min，其颜色退至无色。
权利要求
1.一种制备微米级有序多孔氮杂氧化钛微球的方法，其特征在于它包括如下步骤1)将质量分数为1.0％～5.0％的单分散聚合物微球乳液分散于黏度为50～1000cst的疏水硅油中形成悬浮液，其中质量分数为1.0％～5.0％的单分散聚合物微球乳液与黏度为50～1000cst的疏水硅油的质量比为2.5～3.5g∶60～70g，并控制搅拌速度为300～600rpm，先于60℃下恒温搅拌6h，而后升温至80℃继续搅拌12h，得到含有大微球的悬浮液；用目数为350目的筛网过滤含有大微球的悬浮液即得粒径为50μm～200μm的由单分散聚合物微球聚集形成的大微球；2)分别用正己烷、异丙醇和乙醇洗涤大微球，经真空50℃干燥12h后，用二氧化钛前驱体溶液浸泡大微球7天，之后用350目筛网过滤，将过滤所得大微球与二氧化钛前驱体的复合物置于空气中48h，而后于60℃真空烘箱中干燥12h，再于500℃下烧结5h，即得微米级有序多孔二氧化钛微球；所述的二氧化钛前驱体溶液由钛的醇盐与无水乙醇混合而成，钛的醇盐与无水乙醇的摩尔比为3∶4；3)将微米级有序多孔二氧化钛微球放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速10～50cm3/min、微波功率200～1000W、温度200～500℃、辐照处理1～60min，即得微米级有序多孔氮杂氧化钛微球。
2.根据权利要求1所述的一种制备微米级有序多孔氮杂氧化钛微球的方法，其特征在于所述的单分散聚合物微球为聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚(苯乙烯-丙烯酸)共聚物微球、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)共聚物微球、聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)共聚物微球或聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸)共聚物微球。
3.根据权利要求1所述的一种制备微米级有序多孔氮杂氧化钛微球的方法，其特征在于所述的疏水硅油为甲基硅油或二甲基硅油。
4.根据权利要求1所述的一种制备微米级有序多孔氮杂氧化钛微球的方法，其特征在于所述的钛的醇盐为钛酸甲酯、钛酸乙酯、钛酸丙酯或钛酸丁酯。
全文摘要
本发明涉及一种制备微米级有序多孔氮杂氧化钛微球的方法。其特征在于它包括如下步骤1)将质量分数为1.0％～5.0％的单分散聚合物微球乳液分散于黏度为50～1000cst的疏水硅油中形成悬浮液，其中质量分数为1.0％～5.0％的单分散聚合物微球乳液与黏度为50～1000cst的疏水硅油的质量比为2.5～3.5g∶60～70g，制得大微球；2)洗涤大微球，干燥后，用二氧化钛前驱体溶液浸泡大微球7天，之后用350目筛网过滤，制得微米级有序多孔二氧化钛微球；3)将微米级有序多孔二氧化钛微球放入微波等离子体发生装置中，处理得微米级有序多孔氮杂氧化钛微球。本发明制备工艺简单，制备的氮杂氧化钛微球具有有序多孔及可见光催化性能，且多孔结构不易遭破坏。
文档编号B01J21/06GK101066525SQ200710052159
公开日2007年11月7日 申请日期2007年5月14日 优先权日2007年5月14日
发明者刘长生, 李俊, 韦磊, 邓仕英, 李铭果, 朱仕惠 申请人:武汉工程大学