本發(fā)明涉及一種水溶性納米二氧化鈦的制備方法，具體屬于納米二氧化鈦技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

環(huán)境污染和能源危機(jī)是當(dāng)今時(shí)代人類面臨的兩大挑戰(zhàn)，研究如何解決這兩大難題也是現(xiàn)在世界范圍內(nèi)的科研工作者們所擔(dān)負(fù)的重要?dú)v史使命。納米材料以其特有的光、電化學(xué)性質(zhì)等方面的特性，已成為環(huán)境、化學(xué)、材料等科學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。納米TiO₂因其存在著表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和久保效應(yīng)，使得納米TiO₂在保持原物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)的同時(shí)，還具有特異的力學(xué)、電、磁等奇異性能，廣泛應(yīng)用于電子信息、化妝品生產(chǎn)、屏蔽紫外線、半導(dǎo)體材料、環(huán)境工程等領(lǐng)域，特別是作為光催化劑顯示出巨大的潛在優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“環(huán)境催化劑”，可改善我們的生存環(huán)境，給我們生活帶來更多的便利。但是由于納米TiO₂也存在本身特性的局限性——納米TiO₂很難在水中均勻混合，反而限制了其在很多水性體系中的光催化應(yīng)用，從而極大地限制了光催化的效果。

隨著對(duì)TiO₂納米材料的可控制備和光催化性能研究的不斷深入，越來越多的報(bào)道表明，納米TiO₂的光催化性能的好壞受到多種因素的綜合影響，如納米顆粒尺寸大小、形貌、晶相、結(jié)晶度、相純度以及分散性(溶解性)等都會(huì)導(dǎo)致光催化材料在性能上的顯著差別。溶液中穩(wěn)定分散的納米二氧化鈦不僅可以提高光催化效率，還可以作為薄膜、涂膜，有利于納米二氧化鈦在各種液態(tài)環(huán)境的應(yīng)用，例如光學(xué)基礎(chǔ)分析研究、污水處理過程和生物醫(yī)學(xué)研究等。

然而大多數(shù)傳統(tǒng)的制備方法，例如溶膠-凝膠法、水熱法、氧化還原法、物理/化學(xué)氣相沉積法等，雖然可以制備出較高純度和結(jié)晶度的納米二氧化鈦，但往往需要經(jīng)過高溫煅燒或者其他復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，于是不可避免的造成TiO₂納米顆粒晶粒長大、團(tuán)聚，甚至晶型、物理結(jié)構(gòu)的變化，尤其是得到的產(chǎn)物往往無法再分散(溶解)，極大地限制了光催化的效果。因此，尋找一種在溫和、簡(jiǎn)單的工藝條件下，制備出在溶液中容易分散的納米二氧化鈦的方法顯得尤為重要。

當(dāng)前，納米粒子分散的主要方法是加入大量表面活性劑，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是分散效率低，很難將納米粒子與表面活性劑均勻混合，同時(shí)，納米粒子與表面活性劑之間通過氫鍵鏈接，鍵合力差，穩(wěn)定性差。采用表面引發(fā)聚合技術(shù)(如ATRP工藝)能夠有效的解決該問題，該技術(shù)的核心技術(shù)是將聚有機(jī)單體直接在無機(jī)粒子表面引發(fā)聚合，鍵合力強(qiáng)，分散效率高。該技術(shù)的主要問題是，過程復(fù)雜，不容易實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)成本高，所以其應(yīng)用收到了較大的限制。因此，開發(fā)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的表面引發(fā)聚合技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注，然而表面引發(fā)聚合的聚合物分子量高，包覆程度高，易于造成納米二氧化鈦失去催化降解活性。此外，聚合物的高分子鏈間易偶合終止，形成交聯(lián)聚合物，進(jìn)而失去溶解性。因此，研究一種能夠解決上述問題的水溶性納米二氧化鈦的制備方法，顯得尤為必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種水溶性納米二氧化鈦的制備方法，制備條件溫和易于控制實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種水溶性納米二氧化鈦的制備方法，包括以下步驟：

S1、取納米二氧化鈦置于管中，加入水溶性單體和溶劑，混合后通入氮?dú)?，隨后密封管口；

S2、將密封管置于紫外光下，光照；

S3、光照后取出管中混合物離心，離心后沉淀物用無水乙醇洗滌，烘干后即得水溶性納米二氧化鈦。

前述水溶性納米二氧化鈦的制備方法中，水溶性單體為丙烯酰胺或丙烯酸。

前述水溶性納米二氧化鈦的制備方法，步驟S1中，按照料液比，納米二氧化鈦︰水溶性單體︰溶劑＝0.1～0.3g︰3～10g︰30～40mL。

前述水溶性納米二氧化鈦的制備方法，步驟S1中，溶劑為丙酮。

前述水溶性納米二氧化鈦的制備方法，步驟S1中，通入氮?dú)鈺r(shí)長為3～8min。

前述水溶性納米二氧化鈦的制備方法，步驟S2中，光照時(shí)長為1～3h。

前述水溶性納米二氧化鈦的制備方法，步驟S3中，混合物以8000～10000r/min速度進(jìn)行離心。

前述水溶性納米二氧化鈦的制備方法，步驟S3中，用無水乙醇洗滌2～4次。

前述水溶性納米二氧化鈦的制備方法，步驟S3中，在40℃～80℃下烘干。

本發(fā)明的水溶性納米二氧化鈦，采用沉淀聚合技術(shù)與TiO₂納米粒子光引發(fā)聚合特性有機(jī)結(jié)合，將聚丙烯酰胺低聚物在單個(gè)納米TiO₂粒子表面均勻鍵合。有效的提高了水溶性高分子懸浮納米TiO₂粒子的效率，解決了納米TiO₂粒子在水溶液中的團(tuán)聚和沉淀問題。水溶性高分子鍵合在納米二氧化鈦表面，與當(dāng)前技術(shù)相比，不僅能夠克服納米二氧化鈦分散不均的問題，還有效的增加了光催化劑的效率。將光引發(fā)聚合技術(shù)與沉淀聚合工藝有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水溶性高分子的可控、有效包覆納米二氧化鈦，達(dá)到了分散納米二氧化鈦粒子的目的。包覆好的復(fù)合粒子能夠在1分鐘內(nèi)完成在水中的均勻分散，同時(shí)保留了其高的催化降解特性。

以水溶性單體采用丙烯酰胺為例，圖1是本發(fā)明的水溶性納米二氧化鈦的紅外圖譜，其中圖中箭頭所示之處為水溶性納米二氧化鈦的特征峰。從圖中其他樣品的對(duì)比可以看出，水溶性納米二氧化鈦樣品在3022cm^-1以及1923cm^-1這兩個(gè)位置處均出現(xiàn)了一個(gè)新峰，表明聚丙烯酰胺與納米二氧化鈦表面產(chǎn)生了鍵合作用。該作用可使聚丙烯酰胺均勻牢固地包覆在納米TiO₂粒子表面。

圖2是本發(fā)明的可在水中快速分散的水溶性納米TiO₂的透射電鏡圖。從圖中可以看出，聚丙烯酰胺均勻地包覆在納米二氧化鈦表面。

本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明提供的一種水溶性納米二氧化鈦的制備方法，能夠有效提升納米二氧化鈦在水中的分散性和溶解性；同時(shí)含有均勻分布的二氧化鈦，能夠有效提高光催化效率。本發(fā)明的水溶性納米二氧化鈦可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的納米TiO₂用于光催化領(lǐng)域，解決了因?yàn)槎趸佋谒嘀蟹植疾痪绊懝獯呋阅艿膯栴}。在不影響催化效果的同時(shí)具有環(huán)保，降低成本的特點(diǎn)。將光引發(fā)與沉淀聚合工藝有機(jī)結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單聚合包覆的同時(shí)，能夠有效的控制聚合物分子量，保護(hù)納米二氧化鈦的光催化活性。此外，采用本發(fā)明方法制備的產(chǎn)物容易與單體分離，后處理簡(jiǎn)單，從而實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。本發(fā)明的制備方法，步驟簡(jiǎn)單，易操作，制備條件溫和易控制，得率高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的水溶性納米二氧化鈦的紅外光譜圖；

圖2是水溶性納米二氧化鈦的TEM圖；

圖中附圖標(biāo)記的含義：圖1：a-聚丙烯酰胺，b-二氧化鈦，c-水溶性納米二氧化鈦。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的介紹。

本發(fā)明所用試劑為市售產(chǎn)品，分析純。

實(shí)施例1

一種水溶性納米二氧化鈦的制備方法，包括以下步驟：

S1、按照料液比，納米二氧化鈦︰丙烯酰胺︰丙酮＝0.1g︰3g︰30mL，取納米二氧化鈦置于管中，加入丙烯酰胺和丙酮，混合后通入氮?dú)?min，隨后密封管口；

S2、將密封管置于紫外光下，光照1h；

S3、光照后取出管中混合物以8000r/min速度離心，離心后沉淀物用無水乙醇洗滌4次，在40℃下烘干后即得水溶性納米二氧化鈦。

實(shí)施例2

一種水溶性納米二氧化鈦的制備方法，包括以下步驟：

S1、按照料液比，納米二氧化鈦︰丙烯酰胺︰丙酮＝0.3g︰10g︰40mL，取納米二氧化鈦置于管中，加入丙烯酰胺和丙酮，混合后通入氮?dú)?min，隨后密封管口；

S2、將密封管置于紫外光下，光照3h；

S3、光照后取出管中混合物以10000r/min速度離心，離心后沉淀物用無水乙醇洗滌4次，在80℃下烘干后即得水溶性納米二氧化鈦。

實(shí)施例3

一種水溶性納米二氧化鈦的制備方法，包括以下步驟：

S1、按照料液比，納米二氧化鈦︰丙烯酰胺︰丙酮＝0.2g︰5g︰35mL，取納米二氧化鈦置于管中，加入丙烯酰胺和丙酮，混合后通入氮?dú)?min，隨后密封管口；

S2、將密封管置于紫外光下，光照2h；

S3、光照后取出管中混合物以9000r/min速度離心，離心后沉淀物用無水乙醇洗滌4次，在60℃下烘干后即得水溶性納米二氧化鈦。

實(shí)施例4

一種水溶性納米二氧化鈦的制備方法，包括以下步驟：

S1、按照料液比，納米二氧化鈦︰丙烯酸︰丙酮＝0.25g︰6g︰32mL，取納米二氧化鈦置于管中，加入丙烯酸和丙酮，混合后通入氮?dú)?min，隨后密封管口；

S2、將密封管置于紫外光下，光照1.5h；

S3、光照后取出管中混合物以8500r/min速度離心，離心后沉淀物用無水乙醇洗滌3次，在50℃下烘干后即得水溶性納米二氧化鈦。

實(shí)施例5

一種水溶性納米二氧化鈦的制備方法，包括以下步驟：

S1、按照料液比，納米二氧化鈦︰丙烯酸︰丙酮＝0.15g︰8g︰33mL，取納米二氧化鈦置于管中，加入丙烯酸和丙酮，混合后通入氮?dú)?min，隨后密封管口；

S2、將密封管置于紫外光下，光照2.5h；

S3、光照后取出管中混合物以9500r/min速度離心，離心后沉淀物用無水乙醇洗滌4次，在70℃下烘干后即得水溶性納米二氧化鈦。