二氧化钛奈米粉体的制备方法及利用该方法制备的二氧化钛奈米粉体

摘要

本发明提供了一种二氧化钛奈米粉体的制备方法及利用该方法制备的二氧化钛奈米粉体，其中，该微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，包括下列步骤：(a)将一钛前驱物加入去离子水中，获得一钛前驱物溶液；(b)将一界面活性剂加入去离子水中，获得一界面活性剂溶液；(c)将该界面活性剂溶液加入该钛前驱物溶液中，获得一混合液；(d)收集该混合液中的微球形二氧化钛奈米粉体；(e)将该微球形二氧化钛奈米粉体加以干燥。本发明的二氧化钛奈米粉体的制备方法，能够获得适合大量生产、制造成本低廉、且具有均匀的粒径大小的二氧化钛奈米粉体。利用本发明所制备的微球形二氧化钛奈米粉体，可进一步用来制备微球形二氧化钛奈米薄膜。

权利要求

1.一种微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：（a）将一钛前驱物加入去离子水中，获得一钛前驱物溶液，将该钛前驱物溶液静置于4至15℃的温度下3至48小时；

（b）将一界面活性剂加入去离子水中，获得一界面活性剂溶液，该界面活性剂为乙二醇；

（c）将该界面活性剂溶液加入该钛前驱物溶液中，获得一混合液；

（d）收集该混合液中的微球形二氧化钛奈米粉体；

（e）将该微球形二氧化钛奈米粉体加以干燥。

2.根据权利要求1所述的微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，其特征在于，该钛前驱物为四氯化钛。

3.根据权利要求1所述的微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，其特征在于，该钛前驱物为钛醇盐。

4.根据权利要求3所述的微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，其特征在于，该钛醇盐的烷基具有1至6个碳原子。

5.根据权利要求1所述的微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（a）在3至10℃的温度下进行。

6.根据权利要求1所述的微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（a）在一惰性气体下进行。

7.根据权利要求6所述的微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，其特征在于，该惰性气体为氩气。

8.根据权利要求1所述的微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，其特征在于，该微球形二氧化钛奈米粉体的粒径大小是随着该钛前驱物与该界面活性剂的莫耳比而改变的。

说明书

二氧化钛奈米粉体的制备方法及利用该方法制备的二氧化

钛奈米粉体

技术领域

[0001] 本发明涉及一种奈米粉体的制备方法，尤其涉及一种二氧化钛奈米粉体的制备方法及利用该方法制备的二氧化钛奈米粉体。

背景技术

[0002] 近年来全球奈米科技的发展方兴未艾，不少奈米材料的成功开发着实改善了人们的生活，也开创了无限商机。由于二氧化钛(TiO2)的半导体能阶具有宽能带，因此被广泛地用来作为多功能光触媒。虽然氧化锌的半导体能阶也具有宽能带，也可以作为多功能触媒材料，但其化学稳定性较差(例如，不耐酸性溶液)。因此，大部分奈米光触媒材料还是以二氧化钛为主，其为目前最广泛使用的奈米材料。

[0003] 二氧化钛奈米粉体的制备方法很多，主要可分为物理法和化学法。物理法是最早的制备方法，其利用如气相冷凝法、及高能球磨法等物理方式来获得奈米粉体。气相冷凝法的原理是利用各种方式使物质蒸发或挥发成气相，并利用特殊技术冷凝(如液氮)成核，以得到奈米粉体。以这种方法制备的粉体纯度高、颗粒大小分布均匀、尺寸可控制，适合生产高熔点奈米金属粒子或奈米颗粒薄膜。高能球磨法是利用球磨机转动和振动时的巨大能量，将原料粉碎为奈米级颗粒。其优点为操作简单、易实现连续生产，缺点则是颗粒大小不均匀，并且容易引入杂质。化学法是另一种制备奈米粉体的方法，在其过程中牵涉到一些化学反应。用于制备微粉及奈米粉体的化学法主要有沉淀法、水解法、溶胶凝胶法、水热法、喷雾法、氧化还原法、激光合成法、及电化学制备法等。以上只是大致的分类，在二氧化钛奈米粉体的制备过程中，也可以将上述方法搭配使用。例如，沉淀法和喷雾法常牵涉到水解反应及氧化还原反应；水热法也常结合溶胶凝胶法以制备不同形貌的奈米粉体，例如奈米线、奈米棒、奈米管、奈米微球等。

[0004] 在上述的各种制备二氧化钛奈米粉体的方法中，喷雾裂解法是目前将二氧化钛奈米粉体商品化的主要制程之一，利用此制程可得到粒径均一且质量稳定的奈米粉体。此外，利用溶胶凝胶法及水热法，可以制备出各种形貌的二氧化钛奈米粉体；并且可藉由控制反应溶液的pH值、水热温度、反应时间及溶液浓度，调整其奈米尺寸。此为目前取得多样化奈米结构最常见的方法。

[0005] 随着科技产业的快速发展，各种形貌的二氧化钛奈米粉体在各领域中的应用也日益增加。通常，在制备微球形二氧化钛奈米粉体时，使用的是水热法、微乳液法、及模板法等等。然而，上述方法需要较昂贵的生产设备，且不利于大量及连续生产；此外，藉由该等方法所制备粉体，其均匀性仍有待改善。因此，需要开发出一种微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，能够适合大量生产、制造成本低廉、且制得的二氧化钛奈米粉体具有均匀的粒径大小。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种二氧化钛奈米粉体的制备方法，利用该方法可以得到粒径均匀、成本低廉的微球形二氧化钛奈米粉体。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

[0008] 一种微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法，包括下列步骤：

[0009] (a)将一钛前驱物加入去离子水中，获得一钛前驱物溶液；

[0010] (b)将一界面活性剂加入去离子水中，获得一界面活性剂溶液；

[0011] (c)将该界面活性剂溶液加入该钛前驱物溶液中，获得一混合液；

[0012] (d)收集该混合液中的微球形二氧化钛奈米粉体；

[0013] (e)将该微球形二氧化钛奈米粉体加以干燥。

[0014] 其中，该钛前驱物为四氯化钛。

[0015] 其中，该钛前驱物为钛醇盐。

[0016] 其中，该钛醇盐的烷基具有1至6个碳原子。

[0017] 其中，该界面活性剂为乙二醇。

[0018] 其中，该界面活性剂为乙二醇衍生物。

[0019] 其中，步骤(a)在3至10℃的温度下进行。

[0020] 其中，步骤(a)在一惰性气体下进行。

[0021] 其中，该惰性气体为氮气或氩气。

[0022] 进一步地，在获得该钛前驱物溶液之后，将该钛前驱物溶液静置于4至15℃的温度下3至48小时。

[0023] 其中，该微球形二氧化钛奈米粉体的粒径大小是随着该钛前驱物与该界面活性剂的莫耳比而改变的。

[0024] 本发明的实施例还提供了一种微球形二氧化钛奈米粉体，是利用上述微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法制得的。

[0025] 本发明还提供了一种二氧化钛奈米薄膜的制备方法，以在各种基板上形成微球形二氧化钛奈米薄膜。

[0026] 本发明主要是利用水解法及沈淀法以制备微球形二氧化钛奈米粉体；在水解过程中，调整钛前驱物与界面活性剂的莫耳比，以控制微球形二氧化钛奈米粉体的粒径大小。根据本发明之制备方法，可以在短时间内生成微球结构的二氧化钛奈米粉体，其直径介于
50nm至2000nm之间，并且具有良好的质量。

[0027] 将利用上述方法制得的微球形二氧化钛奈米粉体加入水、水性溶剂、或油性溶剂之中，再加入例如有机小分子、寡聚体、高分子的分散剂，以形成浆料或溶液。其中，亦可选择性地加入阴离子型及阳离子型界面活性剂。接着，再利用网印、旋转涂布、喷涂等方式，在基板上形成微球形二氧化钛奈米薄膜。

附图说明

[0028] 图1为本发明的实施例微球形二氧化钛奈米粉体的扫瞄式电子显微镜影像，1(a)所示微球形二氧化钛奈米粉体的粒径为650至750nm；1(b)所示微球形二氧化钛奈米粉体的粒径为550至650nm；1(c)所示微球形二氧化钛奈米粉体的粒径为450至550nm；1(d)所示微球形二氧化钛奈米粉体的粒径为300至400nm；

[0029] 图2为本发明的实施例微球形二氧化钛奈米粉体的X光绕射图；

[0030] 图3为配置在基材上的微球形二氧化钛奈米薄膜的扫描式电子显微镜影像。

具体实施方式

[0031] 为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0032] 本发明的实施例针对现有技术中制备微球形二氧化钛奈米粉体时，需要较昂贵的生产设备，且不利于大量及连续生产的问题，提供一种微球形二氧化钛奈米粉体的制备方法及利用该方法制备的二氧化钛奈米粉体，能够获得适合大量生产、制造成本低廉、且具有均匀的粒径大小的二氧化钛奈米粉体。

[0033] 将200mL的去离子水保持在温度介于3至10℃之间的冰浴环境下，并且可以选择性地通入氮气或氩气。以高速搅拌的同时，以每秒1至数滴的速率逐滴将钛前驱物加入去离子水中，可得到钛前驱物溶液。在一实施例中，钛前驱物为钛醇盐，其中钛醇盐中的烷基可能具有1至6个碳原子。在另一实施例中，钛前驱物为四氯化钛。继续搅拌约1至5小时；然后在介于4至15℃的温度下静置3至48小时。将作为界面活性剂的乙二醇加入去离子水中，可得到界面活性剂溶液。再将此界面活性剂溶液加入上述的钛前驱物溶液中，并且搅拌5至100分钟，其中钛前驱物/乙二醇的莫耳比为1∶3。在另一实施例中，可使用乙二醇寡聚物或乙二醇聚合物以取代乙二醇。将获得的混合液用保鲜膜及铝箔纸封好，放入温度介于10至90℃的烘箱中反应10至200分钟；接着利用过滤或离心之类的方式收集粉体。将上述粉体以去离子水清洗至少三次，以去除残留的溶剂；再以温度介于60至500℃之间的烘箱加以干燥，因而获得本发明的微球形二氧化钛奈米粉体，其具有均匀的粒径大小，介于650至750nm之间。图1(a)显示该微球形二氧化钛奈米粉体的扫描式电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)影像，图2显示其X光绕射图。

[0034] 改变钛前驱物与乙二醇的莫耳比，可以改变微球形二氧化钛奈米粉体的粒径大小。如表1所示。

[0035] 表1

[0036]莫耳比 微球形二氧化钛 SEM影像
(钛前驱物/乙二醇) 奈米粉体的粒径大小
1∶3 650至750nm 图1(a)
1∶5 550至650nm 图1(b)
1∶7 450至550nm 图1(c)
1∶9 300至400nm 图1(d)

[0037] 将上述的微球形二氧化钛奈米粉体6g与1mL的醋酸混合，搅拌三分钟；加入5mL的去离子水，搅拌3分钟使之均匀混合；接着加入15mL乙醇、20g松油醇、及30g乙基纤维素后，搅拌12小时使之均匀分散，即完成微球形二氧化钛奈米浆料的制备。

[0038] 藉由网版印刷，将前述的微球形二氧化钛奈米浆料涂布在透明导电玻璃基材上，并利用高温烧结以去除有机物质，烧结温度介于300至600℃之间，烧结时间则介于1至5小时；接着冷却至室温，可在基材上形成微球形二氧化钛奈米薄膜，厚度为1至10微米，其可使用于例如太阳能电池的透明电极。该薄膜的硬度介于3B至6H的铅笔硬度之间。图3为配置于基材上的微球形二氧化钛奈米薄膜的扫描式电子显微镜影像。

[0039] 在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。

[0040] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。