專利名稱：一種三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀及其制備方法，屬于新型無機功能材料領(lǐng)域。
在TiO2-K2O體系中，目前普遍存在二鈦酸鉀、四鈦酸鉀和六鈦酸鉀三種穩(wěn)定的晶體狀態(tài)，它們均為單斜晶體且空間群相同(C2/m)。K2Ti2O5晶須的晶體結(jié)構(gòu)可以用TiO5的三角兩錐體表示，三角錐體相互連接形成了一種層狀結(jié)構(gòu)，鉀離子居于層間，并和纖維軸平行。K2Ti4O9晶須的晶體結(jié)構(gòu)是TiO6八面體棱和角共享連接形成的層狀結(jié)構(gòu)，鉀離子居于層間。K2Ti6O13的晶體結(jié)構(gòu)是TiO6八面體連鎖形成的隧道結(jié)構(gòu)，鉀離子固定于隧道之中，纖維軸和隧道軸平行。
而到目前為止，國內(nèi)外還未報道過三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀化合物。
該化合物的分子式為KTiO2(OH)，空間群為R-3c(No.167)。該化合物的a和c分別為9.8934和28.686。其晶體特點可歸納為三點(1)每個Ti和六個O形成TiO6八面體，由于其中兩個O和H結(jié)合使得所對應(yīng)Ti-O健比別的要長，導(dǎo)致TiO6八面體產(chǎn)生畸形；(2)相鄰六個TiO6八面體沿c方向形成具有開放結(jié)構(gòu)的六方柱狀的隧道通道結(jié)構(gòu)；(3)鈦酸鉀晶棒是沿c方向生長的。
所述的鈦酸鉀化合物是通過如下的技術(shù)方案來達到以單一金屬鈦化合物(二氧化鈦或者鈦酸四丁脂等)或金屬鈦和KOH為原材料，裝入帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，再加入去離子水使反應(yīng)容器填充度控制在反應(yīng)釜容積的50～85％，此時單一金屬鈦化合物的濃度范圍為0.4mol/L～3mol/L，KOH的濃度范圍10mol/L～40 mol/L。將反應(yīng)釜放入烘箱中，在100～200℃的溫度范圍內(nèi)保溫2～48hrs，升溫速度2～5℃/min，隨爐冷卻。隨后進行固液分離，將反應(yīng)產(chǎn)物超聲分散30min.，用去離子水清洗直至pH值為7，再用無水乙醇分散處理，然后在80～100℃溫度下進行干燥處理4hrs，得到KTiO2(OH)粉體。
本發(fā)明制備出的鈦酸鉀(KTiO2(OH))棒晶的長度為7～50μm，粒徑3～10μm，隨著填充度和保溫時間的增加，棒晶的直徑變粗，長度增加；其中，當(dāng)KOH＝10mol/L，TiO2＝1mol/L，200℃反應(yīng)6hrs能得到粒徑20～50nm和長徑比10～120的鈦酸鉀納米纖維。
通過對其結(jié)構(gòu)和形貌的研究分析，這種新型鈦酸鉀具有廣泛的應(yīng)用前景。
從微觀形貌來看，規(guī)則的六方柱狀形貌，是用作功能陶瓷晶種的優(yōu)選材料之一，可用來制備鈦酸鉍鉀系的織構(gòu)化陶瓷；結(jié)構(gòu)中OH基團導(dǎo)致TiO6八面體畸變使得晶體結(jié)構(gòu)中正負(fù)電荷不重合，這可能引起自發(fā)極化的現(xiàn)象，即這一新型鈦酸鉀有可能具有鐵電性能
從晶體結(jié)構(gòu)考慮，這種鈦酸鉀具有與K2Ti4O9和K0.8Ti1.73Li0.27O4類似的開放結(jié)構(gòu)，這種開放結(jié)構(gòu)的隧道中的K+離子可與其它陽離子或H+離子進行交換，而具有高的化學(xué)活性，可用作陽離子吸附、交換材料以及催化劑載體等。
本發(fā)明所使用的水熱制備方法能夠大大降低粉體合成溫度，工藝簡單，避免了因煅燒和球磨引起的粉體團聚和雜質(zhì)引入，晶粒的大小、組分和形態(tài)可以得到調(diào)控。
圖2、圖3為水熱反應(yīng)后鈦酸鉀KTiO2(OH)棒晶的SEM照片。
圖4為水熱反應(yīng)后鈦酸鉀KTiO2(OH)納米纖維的TEM照片。水熱條件為反應(yīng)溫度為200℃，保溫時間6hrs，填充度為80％圖5、圖6為屬于三方晶系的鈦酸鉀晶體結(jié)構(gòu)(空間群為R-3c)，圖5為平行于c軸方向，圖6為垂直于c軸方向。
實施例1①原料配制銳鈦礦TiO2、KOH和去離子水均為分析純。將1.146gTiO2和27.374gKOH均勻混合，同時加入去離子水，使其體積為29ml；②裝料將混合均勻的原料裝入帶聚四乙烯內(nèi)襯、體積為50ml不銹鋼的反應(yīng)釜中，擰緊密封；③水熱反應(yīng)將反應(yīng)釜放入程序控制的烘箱中，160℃水熱反應(yīng)12hrs，升溫速度3℃/min.，隨爐冷卻；④產(chǎn)物處理超聲分散30min.，去離子水清洗10遍，無水乙醇分散，80℃烘干24hrs.。
上述得到的鈦酸鉀棒晶的直徑約10μm，長度約50μm，長徑比約5，粒徑分布均勻，見圖2。
實施例2①原料配制金屬Ti粉、KOH和去離子水均為分析純。將1.305g Ti粉和85.428g KOH與去離子水充分混勻，總含水量為33.4％(wt％)；②裝料將混合均勻的原料裝入帶聚四乙烯內(nèi)襯、體積為120ml不銹鋼的反應(yīng)釜中，擰緊密封；③水熱反應(yīng)將反應(yīng)釜放入程序控制的烘箱中，200℃水熱反應(yīng)48hrs，升溫速度3℃/min，隨爐冷卻；④產(chǎn)物處理超聲分散30min，去離子水清洗至pH＝7，無水乙醇分散，在烘箱中80℃干燥處理24hrs。
實施例3①原料配制TiO2、KOH和去離子水均為分析純。將1.837g TiO2和12.904g KOH均勻混合，同時加適量的去離子水，使其體積為23ml；②裝料將混合均勻的原料裝入帶聚四乙烯內(nèi)襯、體積為30ml不銹鋼的反應(yīng)釜中，擰緊密封；③水熱反應(yīng)將反應(yīng)釜放入程序控制的烘箱中，200℃水熱反應(yīng)6hrs，升溫速度3℃/min，隨爐冷卻；④產(chǎn)物處理超聲分散30min，去離子水清洗10遍，無水乙醇分散，80℃烘干24hrs。
上述得到的鈦酸鉀納米纖維的平均直徑約20～50nm，長徑比10～120，見圖3。
權(quán)利要求
1.一種三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀，其分子式為KTiO2(OH)，空間群為R-3c。
2.一種水熱合成三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀的方法，包括配料、混合、水熱反應(yīng)、固液分離、清洗、烘干，其特征在于(1)以單一金屬鈦化合物或金屬鈦和氫氧化鉀為原料，裝入反應(yīng)容器中，加入去離子水使反應(yīng)容器填充度控制在其容積的50～85％，反應(yīng)容器單一金屬鈦化合物或金屬鈦的濃度為0.4mol/L～3mol/L，KOH的濃度為10mol/L～40mol/L，(2)水熱反應(yīng)條件為100～200℃，保溫2～48hrs。
3.按權(quán)利要求2所述的一種水熱合成三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀的方法，其特征在于所述的單一金屬鈦化合物為二氧化鈦和鈦酸四丁脂中的一種。
4.按權(quán)利要求2或3所述的一種水熱合成三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀的方法，其特征在于所使用的TiO2的濃度為1mol/L，KOH的濃度為10mol/L，水熱反應(yīng)200℃，保溫6hrs。
5.按權(quán)利要求1所述的三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀用作功能陶瓷晶種、鐵電陶瓷、陽離子吸附、交換材料或催化劑載體。
全文摘要
本發(fā)明提出一種三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀及其制備方法，屬于新型無機功能材料領(lǐng)域。所述的三方結(jié)構(gòu)鈦酸鉀分子式為KTiO
文檔編號C01G23/00GK1458068SQ0312911
公開日2003年11月26日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者楊群保, 李永祥, 殷慶瑞 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所