现代无机合成分析

现代无机合成技术

姓名：杨芳芳

学号： 141320133

所属学院：化学学院

专业：物理化学

班级：化学2班

导师：王野

2015 年1 月5 日

纳米TiO2的性能、应用及其制备方法综述

摘要：纳米TiO2具有独特的光催化性、优异的颜色效应以及紫外线屏蔽等功能，在光催化剂、化妆品、抗紫外线吸收剂、功能陶瓷、气敏传感器件等方面具有广阔的应用前景。同时它也是一种新型的无机功能材料，显示出很多传统二氧化钛所不具备的奇异的性能，在光电转换和光催化方面有广阔的应用前景，其制备以及应用已经成为材料研究的热点之一。本文对有关纳米TiO2的性能、应用及制备方法研究进行了综述。

关键字：纳米TiO2、性能、应用、制备

一、简介：

纳米二氧化钛：亦称纳米钛白粉。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在100纳米以下，其外观为白色疏松粉末。具有抗紫外线、抗菌、自洁净、抗老化功效，可用于化妆品、功能纤维、塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。

二、分类：

①、按照晶型可分为:金红石型纳米钛白粉和锐钛型纳米钛白粉。

②、按照其表面特性可分为:亲水性纳米钛白粉和亲油性纳米钛白粉。

③、按照外观来分有，粉体和液体之分，粉体一般都是白色液体有白色和半透明状。

三、纳米TiO2的性能

纳米TiO2除了具有与普通纳米材料一样的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等外，还具有其特殊的性质，尤其是催化性能。

3.1基本物化特性

纳米TiO2有金红石、锐钛矿和板钛矿3种晶型。金红石和锐钛矿属四方晶系，板钛矿属正交晶系，一般情况下，板钛矿在650℃转变为锐钛矿，锐钛矿915℃转变为金红石，结构转变温度与TiO2颗粒大小、含杂质及其制备方法有关，颗粒愈小，转变温度愈低，锐钛型纳米TiO2向金红石型转变的温度为600℃或低于此温度，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、稀酸，微溶于碱和热硝酸，不与空气中CO2、SO2、O2等反应，具有生物惰性和

热稳定性，无毒性[1]。

3.2光催化性

利用有些半导体材料对有机污染物进行光催化降解，最终使其生成无毒、无味的CO2、H2O和一些简单的无机物，正在成为环保领域的一项工业化技术。纳米TiO2是一种n型半导体材料，禁带宽度较宽，其中锐钛型为3.2 eV,金红石型为3.0eV，当它吸收了波长小于或等于387.5nm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+，吸附在TiO2表面的氧俘获电子形成•O2-，而空穴则将吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成具有强氧化性的•OH，反应生成的原子氧、氢氧自由基都有很强的化学活性，氧化降解大多数有机污染物,同时空穴本身也可夺取吸附在半导体表面的有机物质中的电子，使原本不吸收光的物质被直接氧化分解，这两种氧化方式可能单独起作用也可能同时起作用，对于不同的物质两种氧化方式参与作用的程度有所不同[2]。此外，许多有机物也被直接氧化降解，这为消除环境污染、污水处理开辟了一条新路。

3.3超亲水性

近几年来,有许多关于将二氧化钛光催化剂固定与玻璃、墙面砖和卫生洁具等物品表面，从而使它们具有杀菌、自洁净、光催化降解污物等功能的研究。已有研究表明,薄膜在光照下的亲水性对二氧化钛光催化表面的自洁净、易清洗等性能具有十分重要的影响。当水在二氧化钛薄膜表面的接触角小于150时具有高的水流动性，小于100时有自清洁效果，小于70时有防霉效果[3]。因而有关这方面的研究工作越来越多。FUJISHIMA课题组发现当二氧化钛薄膜在紫外光照射下，水在二氧化钛薄膜表面的润湿角逐渐下降到00，他们把这种现象称为二氧化钛薄膜超亲水性。

四、纳米TiO2的制备方法

目前，纳米TiO2的制备方法很多，一般可以分为物理法和化学法。

4.1物理法

常用的物理法有气相冷凝法、粉碎法和真空冷凝法。气相冷凝法是通过多种方法使物质挥发成气相，并经过特殊工艺冷凝成核得到纳米粉体。由于使材料气化的方法有很多种，因此气相冷凝法的工艺也千差万别。在气化和冷凝过程中须有

保护性气氛，可以通过控制蒸发和冷凝的工艺条件来控制粉体的粒径。气相蒸发沉积法、溅射法、蒸发-凝聚法、等离子法都是气相冷凝制备纳米粉体的重要方法。该方法制备的粉体纯度高，颗粒大小分布均匀，尺寸可控，适于生产高熔点纳米金属粒子或纳米颗粒薄膜。粉碎法，是利用球磨机转动和振动时的巨大能量，将原料粉碎为细小颗粒。其制备纳米粉体的优点是工艺简单，易实现连续生产，并能制备出高熔点的金属和合金材料，缺点是其对设备要求很高，而且颗粒大小不均匀，容易引入杂质。真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点是纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。

4.2化学法

4.2.1气相法

① TiCl4氢氧火焰水解法

该方法最初是由德国迪高沙(Degussa)公司开发。其所用原料是TiCl4、H2和O2，是将TiCl4气体导入高温的氢氧火焰中进行气相水解.所得到的晶体类型一般是锐钛型和金红石型的混晶型。优点是，产品纯度高、粒径小、表面活性大、分散性好、团聚程度较小，且过程较短，自动化程度高。不足之处就是过程温度较高，腐蚀严重，设备材质要求较严，对工艺参数控制要求精确。因此产品成本较高，一般厂家难以承受。主要用于电子材料、催化荆和功能陶瓷等方面，且该工艺已经成熟。

②TiCl4气相氧化法[4]

该方法用的原料是TiCl4和O2，利用N2携带TiCl4蒸气，预热到435℃后经套管喷嘴的内管进入高温管式反应器，O2预热到870℃后经套管喷嘴的外管也进入反应器，TiCl4和O2在900℃---1400℃下反应生成的纳米TiO2微粒经粒子捕集系统，实现气固分离。该工艺目前关键是要解决喷嘴和反应器的结构设计及TiO2粒子遇冷壁结疤且粒径难以控制的问题。其优点是自动化程度高，可制备优质的粉体。

③钛醇盐气相水解法[5]

该工艺最早是由美国麻省理工学院开发成功的，可以用来生产单分散的球形纳米TiO2。该工艺已经在日本曹达公司实现了工业化，主要是利用氮气、氧气或