纳米二氧化钛研究现状

纳米二氧化钛研究现状

论文导读：综述了纳米TiO2的特性，包括纳米级TiO2常见的三种结构，化学稳定性及热稳定性等方面性质。重点综述了纳米TiO2常见制备方法，包括气相法、液相法。并讨论了液相法和气相法合成纳米级TiO2粉体的优缺点。关键词：纳米TiO2，气相法，液相法0．前言

二十世纪纳米技术兴起并迅速发展，由于纳米材料的独特性质使它在科学技术领域占据重要地位。我们把粉体粒径小于100nm的粉体称作纳米粉体。纳米粉体具有宏观块材所没有的奇特性质，如量子尺寸效应，宏观隧道效应等。这些奇特的性质决定了纳米粉体的广阔运用前景。纳米粉体中纳米TiO2粉体目前在能源、化工、冶金、半导体材料、光催化材料、太阳能的储存与利用、光化学转换、精细陶瓷等方面得到广泛应用，所以合成纳米TiO2已经成为人们广泛关注的热点。纳米TiO2的制备方法有气相法、液相法。此两种方法各有其优缺点。气相法制备的TiO2纳米粒径小，单分散性好但能耗大，成本较高。与气相法相比液相法制备纳米TiO2方法简单、易操作、成本低，但制备的TiO2纳米形貌不易控制。本文综述了近年来制备纳米TiO2的常见方法，客观的分析和评价了各种方法的优缺点。

1．纳米TiO2的性能

纳米TiO2有白色和透明状的两种颗粒，常见的TiO2粉体有金红石、锐钛矿、板钛矿等3种晶型。其中金红石和锐钛矿是四方晶系，板钛矿是正交晶系。纳米TiO2化学性能稳定，常温下几乎不与其它化合

物反应，不溶于水和稀酸，在一定条件下微溶于碱和热硝酸，纳TiO2热稳定性也比较好。纳米TiO2的一个显著特点是他具有半导体性质，它的禁带宽度较宽，其中锐钛矿为3.2eV，金红石为3.0eV，当吸收一定波长的光子后价带中的电子就会被激发到导带，形成带负电的高活性电子e-，同时在价带上产生带正电的空穴h+。

2. 纳米TiO2的制备方法

2.1 气相法

2.1.1 气相氢氧焰水解法

该法[1]是以精制的氢气、空气、氯化物(TiCl4)蒸气为原料。免费论文。按一定的配比放进水解炉进行高温水解，水解温度一般控制在1800℃，氢气与氧气在高温下反应生成气态水，气态水与TiC14 在高温下反应生成TiO2 一次颗粒，这些生成的一次颗粒烧结后变成TiO2 纳米粒子。

其化学反应式为：TiCl4(g) + H2(g)+ O2(g) TiO2(s)+ HC1(g)；

气相氢氧焰水解法制备纳米TiO2的反应机理为：

氧化反应：H2 + O2H2O；

TiCl4的水解反应：TiCl4 + H2OTiO2 + HCl；

TiCl4 + O2TiO2 + C12；

一次氧量的控制对TiO2颗粒的晶形有显著影响。如一次氧含量较高时，金红石的含量很低，锐钛的含量较高；一次氧气含量较低时则相反。此外晶格的缺陷浓度，氢气的体积浓度也会影响TiO2的晶体结构。该工艺生产纳米TiO2得到的纳米度极高，缺点是工艺复杂条件

不容易控制。

2.1.2 气相氧化法

气相氧化法[2]以O2、TiCl4、N2（载气）为原料，在制备过程中一部分氮气携带经过高温预热的TiCl4蒸汽进入反应器，还有一部分氮气进入反应器尾部，一方面作为冷却气体，另一方面防止生成的TiO2粒子凝并，接着将经过预热的氧气喷进反应器，直接进行氧化还原反应得到TiO2金红石型粒子。

程易[3]等通过火焰反应器的重新设计实现以TiCl4为原料，高温气相氧化法制备纳米TiO2粒子，通过载气流量的控制，以及燃气流量的控制制备了粒径在20-80nm的TiO2粒子。

气相氧化法的原料易得、产品粒度细、单个颗粒分散性好。但制备工艺复杂，不容易控制。

2.2 液相法

2.2.1 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是制备TiO2一种常用的方法。该方法[4,5,6]主要是通过化学手段来控制材料的显微结构来制备TiO2粉体，在制备过程中需要严格控制PH值、反应物浓度、反应温度等条件，使生成均一的溶胶，然后经过恒温箱干燥得到干凝胶，最后在马弗炉中灼烧得到成品。反应机理为：

水解反应：Ti(OR)4 + xH2OTi(OR)(4-x)(OH)x + xROHTi(OH)4；

缩聚反应：TiOH + HOTiTiOTi + H2O（失水缩聚）；

TiOR+ HOTi TiOTi + ROH（失醇反应）；

溶剂化反应：Ti(OR)4 + yR｀OHTi(OR)(4-y)(OR｀)y+yROH；

吴孟强[7]等以钛酸四丁酯和三乙醇胺为主要原料，按照摩尔比为1：2制成均匀溶液，将溶液置于100℃密闭的硬质耐热玻璃容器中热处理8-12小时，获得无色透明的凝胶，再转入水热压力反应釜中，在140～150℃陈化48～72 h生成TiO2粉体。沈伟韧[8]等以钛酸四丁酯、无水乙醇、蒸馏水为原料、以钛酸四丁酯℃水℃无水乙醇= 1℃3℃30的摩尔比制备溶胶，将所得的溶胶倒入玻璃皿内，在室温下保存，陈化数日，直至生成凝胶，将用无水乙醇洗过的凝胶置于高压釜中反应，在反应过程通入CO2并控制温度、压力得到TiO2气凝胶，最后在500℃煅烧2h就可得到白色TiO2粉体。Zhang Ming, Y. Bando, K. Wada[9]采用溶胶凝胶模版法制备TiO2纳米管，纳米棒，首先将异丙氧化钛溶解在乙醇溶液中，产生含钛离子的溶液，再制备一定摩尔比的乙醇、水、乙酰丙酮混合溶液，在室温下将这溶液缓慢添加到含钛离子溶液中，从而形成TiO2溶胶，再将阳极氧化铝模版薄膜添加到这种溶胶中，在室温下干燥一天，最后在400℃灼烧一天得到阳极氧化铝孔TiO2的纳米管和纳米棒。