二氧化钛的制备方法.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流二氧化钛的制备方法.精品文档.纳米 !"#$光催化剂的制备方法方世杰徐明霞（天津大学材料学院，天津摘要介绍了二氧化钛粉体和薄膜的制备技术，比较了各种方法的优缺点。其中对液相法作了较为全面的介绍。关键词纳米 !"#$催化剂气相法液相法国家自然科学基金资助项目（(&&$&)*）；天津市自然科学基金资助（&)%+&%,)）作者简介：方世杰（)-+ . ），男，硕士/引言纳米 !"#$光催化剂是一种新型的并且正在迅速发展的高效光谱催化剂，成为近年来环保技术中的一个研究热点。一种良好的催化剂必须具有很大的催化表面，并且有很高的光子利用率。当 !"#$达到纳米时，会表现出更优良的光催化降解性能。关于纳米 !"#$的制备技术已有很多论述，本文试图对近年来纳米二氧化钛的制备技术作一个综述。!"#$纳米粉体的制备目前制备 !"#$纳米微粒的方法有很多种，根据对所要求制备微粒的性状、结构、尺寸、晶型、用途，采用不同的制备方法。按照原料的不同大致分为 $ 类：气相法和液相法。但无论采用何种方法，制备纳米粒子都有如下要求)：表面光洁；粒子的形状及粒径、粒度分布可控，粒子不易团聚；易于收集；热稳定性优良；产率高。气相法气相法是直接利用气体或通过各种手段将物质变为气体，使之在气态下发生物理变化或化学变化，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。气相法的特点是粉体纯度高、颗粒尺寸小、颗粒团聚少、组分更易控制。化学气相沉积法（012）化学气相法制备纳米 !"#$的初级过程包括：气相化学反应、表面反应、均相成核、非均相成核、凝结聚集或融合。气相反应所需的母体有 $ 类：!"03*和钛醇盐。化学反应可分为 * 类。（)）!"03*与 #$氧化，化学反应方程式为：!"03* （4）5 #$ （4）6 !"#$5 $03$7 !"#$ （4）6（!"#$）7 （8）（$）钛醇盐直接热裂法%，化学反应方程式为：!" （#9）*6 !"#$5 *07:$75 $:$#（%）钛醇盐气相水解法（气溶胶法），化学反应方程式为：!" （#9）*5 $:$# 6 !"#$5 *9#:（*）气相氢火焰法，化学反应方程式为：!"03*5 $:$5 #$6 !"#$5 *:03激光 012 法激光 012 法也是一种很好的制备方法。在,& 年代由美国的 :;44<=>)提出，目前该法已合成出一批具有颗粒粒径小、不团聚、粒径分布窄等优点的超细粉，产率较高。? 2;"A 0;8<>*对激光012 法进行了进一步的研究指出，在激光 012 法中，用 !" （=B#C=）*作反应物要比采用 !" （#BDE）*效果要好，!" （=B#C=）*是一种很有前途的反应物。等离子 012 法等离子 012 法是利用等离子体产生的超高温激发气体发生反应，同时利用等离子体高温区硅酸盐通报!#! 年第 ! 期综合与述评万方数据与周围环境巨大的温度梯度，通过急冷作用得到纳米颗粒。该方法有 ! 个特点：（"）产生等离子体时没有引入杂质，因此生成的纳米粒子纯度较高；（!）等离子体所处空间大，气体流速慢，致使反应物在等离子空间停留时间长，物质可以充分加热和反应。气相法制备的纳米 #$%!具有粒度好、化学活性高、粒子呈球形、凝聚粒子小、可见透光性好及吸收紫外线以外的光能力强等特点，但产率低，成本高。因而制备纳米 #$%!光催化剂多采用液相法。液相法液相法是生产各种氧化物微粒的主要方法。它的基本原理是：选择一种或多种合适的可溶性金属盐，按所制备的材料组成计量配制溶液，再选择一种沉淀剂（或用蒸发、升华、水解等方法）使金属离子均匀沉淀（或结晶出来）。液相制备纳米#$%!又可分为溶胶凝胶法（()*+,*）、沉淀法、醇盐水解法等。溶胶凝胶法（()*+,*）关于溶胶凝胶法（()*+,*）制备纳米 #$%!的报道已有很多. / 0。这种方法是以钛醇盐为原料，无水乙醇为有机溶剂，制得均匀溶胶，加入一定量的酸，起抑制水解的作用，再浓缩成透明凝胶，经干燥热处理即可得 #$%!纳米粒子。该法制得的产品纯度高，颗粒细，烘干后颗粒自身的烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，块状材料烧结性不好，干燥时收缩大。罗菊等人1以钛酸丁酯 #$ （%23）4为原料，无水乙醇作为有机溶剂，采用溶胶凝胶法成功地制备了平均粒度为 . / "056 的锐钛矿型 #$%!纳米粉末。经热重分析（#+）、差示扫描热分析（7(8）、9 射线衍射（9:7）、透射电镜（#;<）等手段研究了其微观结构及形貌随着热处理温度变化的规律，指出当热处理温度高于 .=> 时，纳米#$%!粉末的颗粒及晶粒迅速长大，并开始出现金红石结构的 #$%!晶粒。?-<A$BA"=等人对溶胶凝胶法作了修正，经溶胶凝胶法制备出凝胶球后，经过热力学控制和水热处理，得到了 !- & /&=56 的锐钛矿 #$%!纳米粉末。并且还指出通过控制水的浓度，可以获得可控晶粒尺寸、团聚尺寸的纳米 #$%!光催化剂。沉淀法共沉淀法化学共沉淀法所用的反应物为无机物，如#$8*4，#$ （(%4）!，#$%(%4，该法是最经济的方法。汪国忠""等人以 #$8*4为原料制备了不同粒度的锐钛矿相纳米 #$%!粉末。在共沉淀体系中加入一些添加剂，控制共沉淀反应的微环境，使共沉淀反应在有限的微区或液液界面上进行，既保持沉淀又有较高的分散度，添加物置换了吸附颗粒表面的 %C，大大减少了颗粒间的非架桥羟基，克服了传统的共沉淀法制备纳米 #$%!粉末的缺点。本课题组也利用这种方法制备了 "= / !=56 的 #$%!粉末，在 .= / D=>热处理时为锐钛矿，在 0=>热处理时，转变为金红石。均匀沉淀法此法是向金属盐溶液中加入某种沉淀剂，控制颗粒生长速度，从而达到控制颗粒尺寸的目的，获得粒度均匀、纯度高的纳米材料。赵旭"!等人采用均匀沉淀法，以尿素为沉淀剂，控制反应液钛离子浓度、稀硫酸及表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（72(）的用量，制备的粒子粒径在 !=56 / &!6球型 #$%!粒子，该粒子晶体粒径在纳米范围内 ./ !=56。黄晕"&等人以 #$ （(%4）!为前驱物，尿素为沉淀剂，采用水热沉淀法制备了 #$%!纳米粉体，并且讨论了晶粒尺寸与前驱物摩尔比、反应温度、保温时间之间的关系，指出随着前驱物摩尔比减少、反应温度升高、保温时间延长，晶体粒径长大。EAF)"4和徐明霞". / "D采用均匀沉淀法，也制得了超细 #$%!粒子。采用均匀沉淀法，只要控制好生成沉淀剂的速度，就可避免浓度不均匀现象，使过饱和度控制在适当范围内，从而控制粒子的生长速度，获得均匀、致密、便于洗涤、纯度高的纳米粒子。醇盐水解法它是将金属盐溶液在高温下水解生成氢氧化物或水合氧化物沉淀，经加热分解后可得到纳米粒子的一种方法。利用这种方法合成的纳米粉体，颗粒分布均匀，性能优异，纯度高，形状易控制。但原料成本昂贵，金属有机物制备困难，合成周期长。高濂"0等人进行了醇盐水解法制备1硅酸盐通报#$# 年第 # 期综合与述评万方数据!"#$纳米粉体的研究，指出当制得二氧化钛胶状沉淀后，主要采用 % 种方法制备二氧化钛粉体。李大成&等人对利用自制的新鲜钛乙醇盐水解进行了研究，并对钛乙醇盐的合成进行了改进。赵文宽$(等人利用高温热水解法制得了纳米!"#$，指出其有 $ 个特点：（&）光催化活性高；热稳定性好。微乳液法#$，#微乳液法是近年来发展起来的一种制备纳米微粒的有效方法。微乳液是指热力学稳定分散的互不相溶的液体组成的宏观上均一而微观上不均匀的液体混合物。通常是将 $ 种反应物分别溶于组成完全相同的 $ 份微乳液中，然后在一定条件下混合 $ 种反应物，通过物质交换而彼此遭遇，产生反应。通过超速离心，使纳米微粉与微乳液分离。再以有机溶剂除去附着在表面的油和表面的活性剂。最后经过干燥处理即可得纳米微粉。*)+)+" 等人利用微乳液法制备了 &), - .),/0 的纳米 !"#$，在 $( - 1.(2的热处理温度下，!"#$由无定型转变为锐钛矿，超过 1.(2转变为金红石。二氧化钛膜的制备$%溶胶3凝胶法为基础的涂层法#" % #&以溶胶3凝胶法为基础的涂层方法是目前研究最多的 !"#$膜的制备方法。此方法的基本步骤是：先制备溶胶3凝胶溶液，然后用浸渍涂层、旋转涂层或喷涂法将溶胶3凝胶溶液施于基材上，最后再将基材干燥焙烧，这样就在基材表面形成一层二氧化钛膜。膜的性质与溶液的性质、基材性质、干燥和焙烧过程紧密相关。有机化学气相沉积法（4#567）金属有机化学气相沉积法（4#567）是一种主要的制备方法。其原理是载气（8$或 9:）通过前驱物（含金属有机化合物），使气相中前驱物的蒸气压达到一定的恒定值，在高温炉中前驱物分解，沉积在基材上。实验表明$1：此法制备的!"#$膜在可见光和近红外范围内的折光率为%)&.，比用常压法制备的 !"#$膜折光率高出阴极电沉积法5 =>?>:>>/ 等采用 !" 粉为原料，用 8$#$和氨溶液将其溶解，在水溶液中实现了在镀铟3锡玻璃上的电沉积。沉积后的凝胶膜在不同温度下煅烧即得。阴极真空喷镀法#采用 ABC?:D/，E>FGH:I 装置，在这种特殊装置中，放入一个金属钛的盘型靶，保持 ()&J> 的大气压，通过电子枪发射等离子体，并且 !" 靶和负极直流电源相连，以便被负极等离子电流轰击。在装置中通入 9:K#$混合气体。采用这种方法，通过选择适当的喷镀参数，可以控制材料的电学性能、光学性能、结构和形貌。7)7C0"?:"C 等人利用这种方法在 #$9: 气氛中，在 %$%L 沉积 ;) ,M，,$(L 沉积 $M 得到 &)1!0 的薄膜，在 8$#9: 气氛中，在 .$%L 沉积 %).M 得到 (),!0 的薄膜。溶胶3凝胶法从制备步骤看与溶液浸渍法类似。除采用钛醇盐作为前驱物制备浸渍溶液，还可以采用不同的前驱物制备浸渍溶液。有些研究者利用过氧化氢的强氧化性，将钛粉中无定型二氧化钛溶解，作为浸渍溶液制备二氧化钛膜。粘结剂法!(耐热性低的无机材料、树脂材料等表面不能在较高温度下热处理，因而常常将粘接剂与 !"#$颗粒混合，随后粘接剂硬化，把 !"#$固定在基材表面形成 !"#$薄膜。但当采用一般的粘接剂时，由于 !"#$本身强的光催化效应，会使有机粘接剂分解，性能劣化，从而使 !"#$颗粒从基层表面脱离。因此常选用耐 !"#$分解的有机硅粘接剂，如硅硐树脂。本课题组采用一种环氧树脂类型的水溶性有机粘合剂制备了 !"#$膜层，并且对甲基橙进行 了 光 催 化 降 解 实 验，$M 脱 色 率 达 到 了液相沉积法!$近年来，在湿法化学中发展起一种沉积法+J7（+"NC"O JM>IH 7HBDI"?"D/）。使用此法只需在适当的反应液中浸入基片，在基片上就会沉积出氧化物或氢氧化物的均一致密薄膜，成膜过程不需热处理，不需昂贵的设备，操作简单。这种方法可对前驱体薄膜在各种气氛中进行加热、光照、掺杂等后处理，使薄膜功能化。另外，LC0>IM":D%$等人采用低温等离子 567法，从 !"5F,和 #$气相混合物中制得了 !"#$薄膜；A>"?D%等人采用热分解法也制得了 PC#$3!"#$薄硅酸盐通报#(# 年第 # 期综合与述评万方数据膜。结论各种方法各有优缺点。气相沉淀法对设备要求很高，产量低；钛醇盐水解法、溶胶"凝胶法、激光热解法需用大量的有机试剂，生产成本很高，得到的 #$%&粒子在制备初期为无定形，还需一定温度的晶化热处理。水热法制备 #$%&粉体在高温高压下一次完成，无需后期的晶化处理，所得粉体粒度分布窄，成分纯净。集中在以 #$%&作为永久光催化的半导体光催化已经被应用到除水、空气净化以外的很多研究课题中，光催化对破坏如细菌和病毒之类的微生物、杀死癌细胞、气味控制、光分解以产生氢气、固氮、净化渗漏石油已表现出很有用(。参考文献孟季茹，赵磊，梁国正，等*无机非金属纳米微粒的制备方法*化工新型材料，&+，,$-. /01，23 4$53-，63 7 8，19 :;* <=>1; ?$;$: 71; ?3A"A=B91C #$%&D0=9=:9:;EF9 ?E-901F$G1C HE IJ, K190=C*6:-."L3$B，&+，)M：M&)MNF0$G:O: 2，?:P3B:$* %，K$G39:-$ <，19 :;* DB1A:B:9$=- :-CQ=BL:9$=- L10:-$FL =Q #$%&Q$-1 A:B9$;1F HE FAB:E AEB=;EF$F=Q L19:; :;P=R$C1*S*I1B:L*?=*SA-*，)TTU，T （V）：U&I:F1E S ,，2:.1B9E S ?* 6:F1B"$-C31C >:A=3B FE-901F$F =Q9$9:-$3L C$=R$C1*S*K:91B*?$*，)TUV，&&：(+V马万红，蔡汝秀，刘志宏，等*偶氮类化合物在纳米 #$%&表面光降解的 WJ"J$F 光谱示踪研究*高等学校化学学报，)TTT，M邱建斌，曹亚安，马颖，等*担载材料对 #$%&薄膜光催化活性的影响*物理化学学报，&+，)M （)）：)V李芳柏，古国榜，黎永津*X%Y#$%&复合半导体的光催化性能研究*环境科学，)TTT，&+ （(）：V!U符小荣，张校刚，宋世庚，等* 溶胶"凝胶法制备 #$%&YD9Y.;:FF 纳米薄膜及其光电催化性能*功能材料，)TTV，&U （(）：()T罗菊，丁星兆，程黎放，等*用溶胶"凝胶法制备的纳米#$%&粉末结构*材料科学进展，)TT，V （)）：!&K:$B: Z S，13-. 6，611 I ，19 :;* ?$G1 1QQ19F $- .:F"A0:F1 A0=9="=R$C:9$=- =Q 9B$0;=B=190E;1-1 3F$-. -:-=L191B"F$G1C #$%&:9:;EF9F*S*I:9:;E，&+，)T&：)U!汪国忠，汪春昌，张立德，等*纳米 #$%&粉体的制备及应用进展*材料研究学报，)TTV，) （!）：!&V赵旭，王子忱，赵敬哲，等*球形二氧化钛的制备*功能材料，&+，) （）：+黄晖，罗红杰，杨明，等*水热沉淀法制备 #$%&纳米粉体的研究*硅酸盐通报*&+，)T （(）：U:9= Z，#:P1F0$9: ，:9:9:1 *DB1A:B:9$=- =Q FA01B$:; 9$"9:-$: A:B9$;1F $-=B.:-$ AB13BF=B HE 0=L1.1-1=3F AB1$A$9:"9$=-*K:9*1F*?=*，)TUT，)!：)徐明霞，普敏莉，刘岩，等*氧化物超细粒子Y矿物微粉复合粉体应用特性*非金属矿，)TTV，)：&T)M徐明霞，普敏莉，周定，等*#$%&"矿物微粉复合材料得紫外线屏蔽特性*硅酸盐通报，)TTU，)T （）：&!)V徐明霞，加藤昭夫*均一沉淀法云母篇被覆 #$%&*应用化学，)TT!，)& （M）：U)U高濂，陈锦元，黄军华，等*醇盐水解法制备二氧化钛纳米粉体*无机材料学报*)TT!，)+ （(）：(&)T李大成，周大利，陈朝珍，等*钛乙醇盐合成及其水解制备 #$%&微粉的研究*功能材料，)TT!，&M （）：&VU赵文宽，方佑龄，董庆华，等*用高温热水解法制备高活性 #$%&纳米微晶光催化剂*物理化学学报，)TTU，)(张岩峰，魏雨，武瑞涛* 纳米 #$%&粉体的制备及应用进展*功能材料，&+，) （(）：!(6$ 7 6，K:-. 7 2，?E-901F$F =Q -:-=L191B"F$G1C #$%&A:B9$"1F HE L$B=1L3;F$=- L190=BC* <:-= ?9B393B1 K:91B$:;F*，)TTT，) （!）：MM张彭义，余刚，蒋展鹏*光活性二氧化钛膜的制备与应用*环境科学进展，)TTU，M （!）：!+:5: J ?，S11>:-:-C:L ?，0:9.:CC1 6 7* N- F$93 C1>1;=A"L1-9 =Q :;3L$-$C1F =- 9$9:-$3L*S*K:91B*?$*61991B，)TTV，)M（M）：()V_G=1 K，:9= _*:HB$:9$=- =Q =B$1-91C A=;EBEF9:;$-1 9$9:"-$: Q$;LF HE ?=;"71; AB=1FF* =.E= E=P:$ ?0$，)TUV，T!（)&）：)&+V&M高桥康隆，田中久雄，金森正晃，等*法合成不纯物#$%&薄膜光·電气的性質* 日本陶瓷年会，东京，)TT*&&U：!U&V郭清萍，武正簧，赵君芙，等*低压化学气相沉积法制备 #$%&膜的研究*化学研究与应用，)TTT，) （)）：)&U,3L$9B$3 ,，:;E Z ，:;E I，19 :;*D0=9=:9:;E9$ C1.B:"C:9$=- =Q A01-=; HE #$%&90$- Q;$LF AB1A:B1C HE FA3991B$-.*ZAA;$1C I:9:;EF$F ：_->$B=-L1-9:;，&+，&!：U&T#:P:0:F0$ ，K:9F3=P: *,$A"=:9$-. =Q #$%&Q$;LF 3F$-. :F=; C1B$>1C QB=L #$（%"$"DB）("C$190:-=;:L$-1"2&%"N"DB%2FEF91L*S*K:91B*?$*，)TUU，&&：&&!T高铁，钱勇，于向阳* #$%&表面超亲水性* 材料导报，硅酸盐通报!""! 年第 ! 期综合与述评万方数据王晓萍，于云，胡行方，等液相沉积法制备氧化物薄膜功能材料，!"""，&# （$）：&$#()*+,-./0 1，(.20,-.3+ 1，4+5+05+ 1，63 +7 809 36*:6/+;3)/6 :/6:+/+3.02 0< 4.=!3-.2 <.7* >? :7+,*+;62-+26A -6*.;+7 B+:0/ A6:0,.3.02CD6/E0C+:+2，#FF&，#"" （G）：G#$E+.30 E，=5+20 (，H+?+,-. 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