TiO2的制备方法及其应用

第33卷第1期内蒙古民族大学学报（自然科学版）Vol.33No.1 2018年1月Journal of Inner Mongolia University for Nationalities Jan.2018

DOI:10.14045/ki.15-1220.2018.01.005

TiO2的制备方法及其应用

刘建华

（内蒙古民族大学化学化工学院，内蒙古通辽028043）

〔摘要〕二氧化钛作为环境友好型光催化剂，受到广泛的关注.本文主要通过液相合成法和气相合成法两个

方面详细的描述了TiO2的制备方法，其中液相合成法主要包括水热与溶剂热法、溶胶-凝胶法、微乳液法和液

相沉积法.气相合成法主要为磁控溅射法.此外，对二氧化钛在不同领域中的应用进行了具体的介绍.

〔关键词〕TiO2；液相合成法；气相合成法；应用

〔中图分类号〕TQ28〔文献标识码〕A〔文章编号〕1671-0185（2018）01-0019-04

The Preparation and Application of TiO2

LIU Jian-hua

（College of Chemistry and Chemical Engineering，Inner Mongolia University for Nationalities，Tongliao028043，China）

Abstract:TiO2has received much attention as an environment-friendly photocatalyst.Preparation methods of TiO2

containing the synthesis of liquid phase and gas phaseare described.Liquid phase synthesisincluded hydrothermal，

solvothermal，sol-gel，microemulsion methods and liquid phase deposition.Gas phase synthesis was mainly magne-

tron sputtering.In addition，the application of TiO2in different fields is introduced.

Key words:TiO2;Liquid phase synthesis;Gas phase synthesis;Application

近年来，随着科学技术的进步，工业和农业迅猛发展，给人们生活带来便利的同时，也造成一定的困扰.大量污水的排放，不仅引发一系列环境问题，也让人们的饮用水没办法得到安全保证.为了解决污水排放和生活用水质量存在的问题.研究者们对绿色清洁能源材料特别感兴趣.而TiO2作为环境友好型催化剂，不仅具有良好的光敏性、无毒和稳定性好〔1〕等特点，引起广大研究者的关注.研究者主要研究了纳米颗粒、纳米棒、纳米线和纳米管在内的TiO2纳米材料的性质、制备及其在废水处理、太阳能电池和抗菌、杀菌等领域的应用.二氧化钛，俗称钛白粉，在自然界中主要以锐钛矿（anatase）、金红石（rutile）、板钛矿（brook-ite）三种晶型存在〔2〕.不同晶型的二氧化钛作用不同.锐钛矿相的二氧化钛光催化降解效果优于金红石相，能有效的降解实验室中的模拟物，如废水、甲基橙和苯酚等溶液.而二氧化钛制备方法不同，制备出的矿相不同，矿相之间的比例也会有差别.二氧化钛的制备方法有水热与溶剂热法、溶胶-凝胶法、微乳液法、液相沉积法和磁控溅射法等.

1TiO2材料的制备方法

二氧化钛材料的制备方法可以分为二种：一是液相法合成；二是气相法合成.

1.1液相法合成

二氧化钛液相法合成是目前较常用的方法，主要使用的无机盐为钛酸丁酯、TiCi4和Ti（SO4）2等原料，原料便宜，合成方法简单，是比较经济的制备方法.液相合成方法主要包括水热与溶剂热法、溶胶-凝胶法、微乳液法和液相沉积法.

1.1.1水热与溶剂热法水热与溶剂热是指在密闭的反应容器，高压反应釜里进行，介质为水或者是其

基金项目：国家自然科学基金资助项目（21561024）；内蒙古自然科学基金项目（2017BS0205）

作者简介：刘建华，内蒙古民族大学化学化工学院实验员.

20

内蒙古民族大学学报2018年他有机溶剂，通过对反应容器的加热，制造高温、高压的条件，使原始混合物进行反应合成新化合物的方法.该方法制备的催化剂纯度比较高，晶形较佳〔3〕.但也存在一定的弊端，主要是对设备要求高，操作复杂，而且耗能大，成本偏高等〔4〕.郭国伟等人〔5〕，以工业级别的四氯化钛为钛源，采用两步反应法，该法第一步以尿素作为反应诱发剂可有效控制TiO2晶粒大小，第二步采用乙醇稀释氨水作为反应剂，控制反应速率即有效控制晶粒的生长和分散.第一步和第二步结合合成的纳米TiO2，使常用工业级水热合成方法不能较好控制纳米TiO2粒径的缺点得到了改进.此方法采用工业常用原料，操作简单，过程易控，适合工业放大.通过XRD和SEM表征，可知所制备的TiO2为锐钛矿型；粒径均匀，为20nm；经TEM表征可知，颗粒间具有一定的分离空间，具有较好的单分散度，可满足工业技术需求.

1.1.2溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是人们最常用的一种制备催化剂的方法，这种方法一般是以金属醇盐为前驱体，小分子醇为溶剂（乙醇），主要反应步骤是将前驱物溶于溶剂中形成较均匀溶液，溶质与溶剂之间发生水解或醇解反应，生成溶胶，溶胶在干燥后转变为凝胶，将凝胶研磨焙烧，制备出催化剂〔6〕.杨志广等人〔7〕，以钛酸正丁酯为钛源，叔丁醇为溶剂，盐酸和冰醋酸为抑制剂，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为分散剂，采用溶胶－凝胶法制备纳米二氧化钛.制备的催化剂结构清晰、分散性好、粒径分布均匀.对目标模拟物甲基橙溶液进行降解，取20mL浓度为10mg/L的甲基橙溶液中加入20mg纳米二氧化钛，在甲基橙最大吸收波长464nm处的吸光度迅速减弱，光照40min时，降解率达到95%左右，取得了良好的光催化效果.查国君等人〔8〕，以钛酸四丁酯为原料，常温下采用溶胶-凝胶法制得了纳米二氧化钛粉末，实验中对其制备影响因素进行了研究探讨.实验结果表明：水和钛酸丁酯的摩尔比为3:1；冰醋酸与钛酸丁酯的摩尔比为0.5:1；无水乙醇与钛酸丁酯的摩尔比为20:1，pH取2～3时凝胶时间达到最佳值.纳米TiO2在紫外光下对甲基橙溶液降解.在二氧化钛投入量为1.5g/L，甲基橙溶液的浓度为10mg/L，光照4h后甲基橙的降解率可达到9

2.9%，此时二氧化钛降解率最高.

1.1.3微乳液法微乳法可以说是一个热力学稳定体系，是由表面活性剂、助表面活性剂（醇类）、油（碳氢化合物）和水（或电解质溶液）组成的透明的、各向同性的体系〔9〕.张兵兵等人〔10〕，以硫酸法钛白粉生产的中间产物偏钛酸为原料，采用微乳法制备纳米二氧化钛粉体.研究结果表明：颗粒粒径受表面活性剂加入量、沉淀剂加入量的影响，采用透射电镜对颗粒的形貌进行表征，及X射线衍射仪对制备颗粒的晶相成分进行分析.通过分析得出：制备的二氧化钛粉体晶型良好，粉体颗粒分布均匀，粒径为20～60nm.

1.1.4液相沉积法液相沉积法是以无机钛盐作原料，通过直接沉积来制备功能TiO2粉体和薄膜的液相法〔11〕.

1.2气相法合成

二氧化钛纳米材料的气相合成法主要常用的是磁控溅射法.在电场作用下，利用高能粒子轰击产生的动量交换，与目标靶材上的原子撞击，并电离产生出高能离子与电子，新的高能电子飞向基片，而高能离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射，被溅射出的原子流以一定的方向射向衬底，凝聚成镀层，从而实现膜材料在衬底上的沉积〔12〕.采用磁控溅射方法制备的薄膜材料，薄膜与基片的附着力强并且薄膜均匀；该制备薄膜工艺稳定、靶材可以保持较长寿命，并且容易控制薄膜厚度，可适用于大面积镀膜〔13〕.

2二氧化钛的性质及其应用

由于二氧化钛光催化剂本身具有良好的化学稳定性、光稳定性以及耐化学腐蚀等性质，使其在制备氢气、太阳能电池、废水处理和抗菌、杀菌等领域有着广泛的应用前景，其市场规模也在不断扩大.

2.1在制备氢气方面的应用

自1972年Fujishima和Honda首次发现在半导体二氧化钛单晶电极上，在太阳光照射下，水可以分解制备氢气，开始了用纳米二氧化钛晶体作为光催化剂分解水制备氢气和氧气的研究〔14-15〕.此方法无毒无害，又能有效利用太阳能，节约其它能源，因此成为一种有效制得氢气的方法〔16〕.

2.2在太阳能电池方面的应用