一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法
【專利摘要】一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，是一種促進(jìn)多層納米片快速剝離成單層氧化鈦納米片的方法。為實現(xiàn)質(zhì)子型鈦酸鹽快速及完全的剝離，本發(fā)明所述方法為：稱取o.ro.5g質(zhì)子型鈦酸鹽溶于lOOmL四丁基氫氧化銨溶液（0.002~0.08mol/L),于恒溫振蕩器中充分混合12h后，將混合液于超聲波清洗機(jī)中超聲5~100min(超聲功率400W，頻率40KHz)，再置于恒溫振蕩器（20(T400r/min)或磁力攪拌器(lOOlOOr/min)進(jìn)行溶脹剝離反應(yīng)，其中超聲處理頻次控制為：5~100min/次，間隔時間為2~30h，反應(yīng)5~20天后，質(zhì)子型鈦酸鹽被剝離成單層氧化鈦納米片。本發(fā)明在保證納米片剝離的前提下，通過超聲輔助法加速電解質(zhì)擴(kuò)散于納米片前軀體的層間，為快速實現(xiàn)納米片的剝離及納米片尺寸的控制提供了簡便、有效的方法。
【專利說明】一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于化學(xué)材料合成、催化技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域，是一種促進(jìn)多層納米片快速剝離 成單層納米片的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 潔凈的水資源和空氣是人類健康生活和進(jìn)行生產(chǎn)活動的不可或缺的物質(zhì)條件。但 隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展和人口激增，人類向環(huán)境中排放的污染物對環(huán)境質(zhì)量造成了極大危害。 近年來，各種處理方法已應(yīng)用于環(huán)境治理中，但是這些方法中絕大多數(shù)不僅耗能高，而且只 是將污染物從環(huán)境中轉(zhuǎn)移，并非完全轉(zhuǎn)化為C0 2、H2O等無機(jī)小分子。因此，開發(fā)高效低耗能 的綠色科技技術(shù)進(jìn)行環(huán)境污染治理變得迫切需要，有助于解決能源短缺，以便可持續(xù)發(fā)展 戰(zhàn)略的實施。
[0003] 近年來，氧化鈦光催化法作為一種高級氧化技術(shù)，因其安全無毒、效率高、反應(yīng)徹 底等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。氧化鈦納米片（TihO 24xO是一種二維結(jié)構(gòu)的納米材料，由質(zhì)子 型鈦酸鹽HxTi2_ x/404在堿性溶液中溶脹剝離而成的單層晶體，厚度不到I nm，橫向尺寸為微 米或準(zhǔn)微米，通常帶負(fù)電，其具有很好的光催化、光電轉(zhuǎn)換效能。目前，單層氧化鈦納米片制 備過程中，以質(zhì)子型鈦酸鹽作為前驅(qū)體大多采用恒溫振蕩的方法進(jìn)行層間溶脹剝離反應(yīng)， 但是耗時較長，這極大的限制了納米片的應(yīng)用。本發(fā)明采用超聲處理質(zhì)子型鈦酸鹽剝離的 混合液作為輔助手段，可以加速納米片的剝離，同時控制超聲頻次，可以得到不同尺寸的單 層氧化鈦納米片。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對常規(guī)法振蕩剝離納米片耗時長的問題，本發(fā)明提供一種超聲輔助納米片剝離 成單層納米片的方法，簡單且易于實施。所述方法通過如下方式實現(xiàn)：稱取0. l~〇. 5 g的質(zhì) 子型鈦酸鹽（HxTi2_x/404)溶于100 mL濃度為0. 002~0. 08 mol/L四丁基氫氧化銨（TBAOH)溶 液中，于恒溫振蕩器中200 r/min速度下充分混合12 h后，將混合液于超聲機(jī)中進(jìn)行5~100 min的超聲處理(超聲功率400W，頻率40KHz)，再置于恒溫振蕩器（20(T400 r/min)中或磁 力攪拌器（1〇(Γ300 r/min)上進(jìn)行溶脹剝離反應(yīng)，反應(yīng)過程中超聲處理頻次控制為：5~100 min/次，間隔時間為2~30 h，反應(yīng)5~20天后，質(zhì)子型鈦酸鹽被剝離成單層氧化鈦納米片。
[0005] 本發(fā)明是在大量的試驗測試及文獻(xiàn)調(diào)研分析上得出的，具體原理包括以下幾點： (1)當(dāng)質(zhì)子型鈦酸鹽溶于四丁基氫氧化銨溶液后，質(zhì)子型鈦酸鹽層間的電荷出現(xiàn)了不 平衡，故溶液中的TBA+向?qū)娱g擴(kuò)散以保持電中性，同時水分子也會向?qū)娱g擴(kuò)散發(fā)生水化作 用，使得鈦酸鹽層間距發(fā)生改變，隨著水分子和TBA+不斷進(jìn)入層間，同時伴隨著剪切力，使 得層間距繼續(xù)擴(kuò)大，最終發(fā)生層離而生成單層氧化鈦納米片。
[0006] (2)超聲輔助法利用了超聲的原理，一方面加速離子擴(kuò)散，使得溶液更迅速的擴(kuò)散 至層間；另一方面，超聲過程空化產(chǎn)生的微小氣泡同樣可以產(chǎn)生摩擦剪切作用，加速了質(zhì)子 型鈦酸鹽層間距的增加。總的來說，超聲處理起到一個加速擴(kuò)散并剝離多層前驅(qū)體的作用。
[0007] (3)不同的混合方法(振蕩器振蕩和磁力攪拌）影響離子的擴(kuò)散速度，故TBA+擴(kuò)散 至質(zhì)子型鈦酸鹽層間的時間各不相同，同時，不同的方式產(chǎn)生的不同剪切力對于質(zhì)子型鈦 酸鹽溶脹剝離后所產(chǎn)生的單層納米片的尺寸大小亦有不同程度的影響。
[0008] 本發(fā)明所提供的超聲輔助多層質(zhì)子型鈦酸鹽剝離的方法，能夠加速單層氧化鈦納 米片的制備，縮短了制備時間，同時制備所得的不同尺寸的單層氧化鈦納米片可以根據(jù)不 同需要應(yīng)用于各種領(lǐng)域。此法操作簡單、有效、便捷，大大提高了單層氧化鈦納米片制備效 率。
[0009]

【具體實施方式】
[0010] 實施例1 : 將0.4 g質(zhì)子型鈦酸鹽溶于100 mL濃度為0.004 mol/L TBAOH溶液中，使用磁力攪拌 方式進(jìn)行混合，每24 h超聲處理15 min，反應(yīng)14天，單層氧化鈦納米片平均尺寸約為500 μ m X 200 μ m〇
[0011] 實施例2: 將0.4 g質(zhì)子型鈦酸鹽溶于100 mL濃度為0.004 mol/L TBAOH溶液，使用恒溫振蕩器 進(jìn)行混合，每15 h超聲處理50 min，反應(yīng)10天，單層氧化鈦納米片平均尺寸約為200 μ m X 100 μ m〇
[0012] 實施例3: 將0.4 g質(zhì)子型鈦酸鹽溶于100 mL濃度為0.016 mol/L TBAOH溶液，使用恒溫振蕩器 進(jìn)行混合，每10 h超聲處理25 min，反應(yīng)18天，單層氧化鈦納米片平均尺寸約為300 μ m X 200 μ m〇
【權(quán)利要求】
1. 一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特征在于所述方法步驟為：稱取 0. f〇. 5 g的質(zhì)子型鈦酸鹽（HxTi2_x/404)溶于100 mL濃度為0. 002、. 08 mol/L四丁基氫氧 化銨（TBAOH)溶液中，于恒溫振蕩器中200 r/min速度下充分混合12 h后，將混合液于超聲 機(jī)中進(jìn)行5?100 min的超聲處理(超聲功率400W，頻率40KHz )，再置于恒溫振蕩器（20(Γ400 r/min)中或磁力攪拌器（100~300 r/min)上進(jìn)行溶脹剝離反應(yīng)，反應(yīng)過程中超聲處理頻次 控制為：5~100 min/次，間隔時間為2~30 h，反應(yīng)5~20天后，質(zhì)子型鈦酸鹽被剝離成單層氧 化鈦納米片。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特征在于所述的 質(zhì)子型鈦酸鹽投加量為〇. l~〇. 5 g。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特征在于所述 的四丁基氫氧化銨（TBAOH)溶液濃度為0. 002?0. 08 mol/L。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特征在于振蕩 器的轉(zhuǎn)速為20(T400 r/min，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為ΚΚΓ300 r/min。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特征在于超聲 處理頻率為5?100 min/次，間隔時間為2?30 h。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲輔助氧化鈦納米片剝離的方法，其特征在于混合 后攪拌或振蕩5~20天。
【文檔編號】B82Y30/00GK104211111SQ201410447077
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】陳少華, 崔星, 石建穩(wěn), 王曉君, 徐穎 申請人:中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所