способ получения нановолокон гликолята титана

Формула изобретения

Способ получения нановолокон гликолята титана путем нагревания смеси соединения титана и этиленгликоля с последующим охлаждением, отделением осадка и его просушиванием, отличающийся тем, что в качестве соединения титана используют гидроксид титана при мольном соотношении гидроксид титана:этиленгликоль, равном 1:20-50, и нагревание ведут в две стадии: при 100-110°С в течение 1 ч на первой стадии и при 150-170°С в течение 2 ч на второй стадии соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения органических соединений металлов, которые могут быть использованы в качестве прекурсоров в процессе синтеза оксидов соответствующих металлов, применяемых в различных областях техники в качестве катализаторов, датчиков, пигментов и т.д. В частности нановолокна гликолята титана могут быть использованы в качестве прекурсора для получения оксида титана, который широко используется в качестве катализаторов или пигментов, в виде анатаза или рутила без изменения нановолокнистой морфологии.

Известен способ получения гликолята титана путем использования в качестве исходной смеси бутоксида титана, н-бутиламина и этиленгликоля, взятой в мольных соотношениях 1:1:20. После тщательного перемешивания смеси в течение 1 часа ее помещают в покрытый тефлоном автоклав и выдерживают при температуре 160-180°С в течение 5 дней. Затем образовавшийся твердый продукт отфильтровывают на вакуумном фильтре и промывают дистилированной водой и этанолом (Dan Wang, Ranbo Yu, Yunfa Chen et.al. "Photocatalysis property of needle-like TiO₂ prepared from a novel titanium glycolate precursor", J. "Solid State lonics", 172, 2004, p.101-104).

Недостатком способа является сложность процесса получения, которая обусловлена, во-первых, использованием в качестве исходного органического соединения титана, которое является малостойким во внешней среде, что требует применения специального оборудования, обеспечивающего изоляцию от влаги воздуха, во-вторых, длительность и необходимость использовать автоклавное оборудование.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является известный способ получения нановолокон гликолята титана путем нагревания смеси алкоксида титана (IV) общей формулы Ti(OR)4 и этиленгликоля при температуре 170°С в течение 2-х часов (Xuchuan Jiang, Yuliang Wang, Thurstonn Herricks et. al. "Ethylene glycol-mediated synthesis of metal oxide nanowires", J. "Materials Chemistry", 2004, 14, p.695-703). Например, смесь бутоксида титана Ti(OC ₂H₅)₄ (0,050 мл) и этиленгликоля (10 мл) тщательно перемешивают в атмосфере азота в перчаточном боксе. Полученную массу выдерживают при 170°С в течение 2-х часов при интенсивном перемешивании. После охлаждения до комнатной температуры образовавшийся твердый продукт отжимают на центрифуге, промывают дистиллированной водой и этанолом для удаления остатка этиленгликоля и просушивают в вакууме при 50°С в течение 4-х часов.

Недостатком известного способа является его технологическая сложность, которая обусловлена, во-первых, использованием в качестве исходного органического соединения титана, малостойкого во внешней среде, во-вторых, необходимостью дополнительных условий при получении, например, атмосферы азота.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой способ получения нановолокон гликолята титана с использованием доступных исходных соединений, обеспечивающий при этом высокий выход конечного продукта.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения нановолокон гликолята титана путем нагревания смеси соединения титана и этиленгликоля с последующим охлаждением, отделением осадка и его просушиванием, в котором в качестве соединения титана используют гидроксид титана при мольном соотношении гидроксид титана: этиленгликоль равном 1:20÷50 и нагревание ведут в две стадии: при 100-110°С в течение 1 часа на первой стадии и при 150-170°С в течение 2 часов на второй стадии соответственно.

Техническим результатом предлагаемого способа является значительное его упрощение за счет исключения использования в качестве исходного органических соединений титана и, как следствие, необходимости дополнительного оборудования.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения нановолокон гликолята титана, в котором в качестве исходного используют гидроксид титана при определенных условиях проведения процесса.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. К диоксиду титана добавляют этиленгликоль до получения мольного соотношения Ti(OH) ₄:НОСН₂СН₂ОН, равного 1:20÷50. Смесь помещают в емкость и интенсивно перемешивают с помощью электромеханической мешалки до получения однородной массы. Затем нагревают до температуры 100-110°С и выдерживают при этой температуре в течение 1 часа, после чего повышают температуру до 150-170°С и выдерживают при этой температуре в течение 2 часов. Образовавшийся продукт отделяют от непрореагировавшего этиленгликоля путем вакуумной фильтрации с использованием стеклянного фильтра, промывают ацетоном или ацетонитрилом и просушивают в сушильном шкафу при 40°С в течение 0,5 час. По данным электронно-микроскопического и химического анализов полученный продукт представляет собой нановолокна гликолята титана состава Ti(OCH₂ CH₂O)₂ с диаметром в пределах 20-300 нм и длиной в пределах 10-40 мкм.

Предлагаемое мольное соотношение исходных компонентов выбрано из следующих соображений. При мольном соотношении менее чем 1:20 наблюдается образование кристаллов гликолята титана в виде иголок и удлиненных пластинок толщиной 0,5-2 мкм и длиной 10-30 мкм, образующих сростки крестовидной и звездчатой формы. При мольном соотношении более чем 1:50 наблюдается образование волокон, характеризующихся чрезвычайно высокой гигроскопичностью и неустойчивостью в воздушной среде. Для работы с такими объектами необходимо специальное оборудование для создания условий, исключающих влияние влаги воздуха, что ведет к усложнению процесса получения. Нагревание смеси исходных компонентов в две стадии обеспечивает удаление излишка воды на первой стадии, пока еще не происходит укрупнение частиц гидроксида титана, что позволяет вести процесс в воздушной среде.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 1,16 г диоксида титана Ti(OH) ₄ и добавляют 11 мл этиленгликоля (мольное соотношение 1:20). Смесь помещают в коническую колбу и интесивно перемешивают электромеханической мешалкой до получения однородной массы. Затем колбу помещают на электроплиту, нагревают до 100°С и выдерживают при этой температуре 1 час. После чего температуру повышают до 150°С, выдерживают при этой температуре 2 часа и охлаждают до комнатной температуры. Полученный продукт отделяют от непрореагировавшего этиленгликоля путем вакуумной фильтрации с использованием стеклянного фильтра, промывают ацетоном, после чего сушат в сушильном шкафу при температуре 40°С в течение 0,5 час. Получают нановолокна гликолята титана состава Ti(OCH₂CH ₂O)₂ с диаметром 100÷300 нм и длиной 10÷20 мкм (см. фиг.1). Выход продукта - 100%.

Пример 2. Берут 1,16 г диоксида титана Ti(OH) ₄ и добавляют 28 мл этиленгликоля (мольное соотношение 1:50). Смесь помещают в коническую колбу и интесивно перемешивают электромеханической мешалкой до получения однородной массы. Затем колбу помещают на электроплиту, нагревают до 110°С и выдерживают при этой температуре 1 час. После чего температуру повышают до 170°С, выдерживают при этой температуре 2 часа и охлаждают до комнатной температуры. Полученный продукт отделяют от непрореагировавшего этиленгликоля путем вакуумной фильтрации с использованием стеклянного фильтра, промывают ацетонитрилом, после чего сушат в сушильном шкафу при температуре 40°С в течение 0,5 час. Получают нановолокна гликолята титана состава Ti(OCH₂CH ₂O)₂ с диаметром 20÷60 нм и длиной 30÷40 мкм (см. фиг.2). Выход продукта - 100%.

Таким образом, авторами предлагается технологически простой способ получения нановолокон гликолята титана с использованием доступных и химически безвредных исходных.