高等无机化学课程论文文献综述

《高等无机化学》课程论文文献综述
综述题目纳米二氧化钛的制备及应用
作者所在系别化学系
作者所在专业分析化学
作者姓名王慧
作者学号12S007032
导师姓名王进福
导师职称高级工程师
完成时间2013 年04 月14
哈尔滨工业大学材料化学教研室制
纳米二氧化钛的制备及应用
摘要：纳米二氧化钛具有许多优异的性质，显示出日益广阔的应用前景，纳米二氧化钛的应用研究因此成为研究的热点之一。

本文主要对TiO2制备，性质及应用研究进行了综述，指出了当前在研究方面存在的不足，展望了今后的主要研究方向。

关键字：二氧化钛；性质；应用
1. 纳米T iO2 的制备
目前, 制备纳米T iO2的方法很多, 主要有气相法,液相法和固相热解法。

尽管气相法制备的纳米TiO2 粉体纯度高、粒度小、单分散性好, 但其制备设复杂、能耗大、成本高等缺点严重制约了气相法的应用和发展。

而液相法具有合成温度低、设备简单、易操作、成本低等优点,是目前实验室和工业上广泛采用的制备纳米粉体的方法。

液相法是选择可溶于水或有机溶剂的金属盐类,使其溶解,并以离子或分子状态混合均匀,再选择一种合适的沉淀剂或采用蒸发、结晶、升华、水解等过程,将金属离子均匀沉积或结晶出来, 再经脱水或热分解制得粉体。

它有以下几种方法。

1.1溶胶-凝胶法
溶胶—凝胶法,是以有机或无机盐为原料,在有机介质中进行水解、缩聚反应,使溶液经溶胶- 凝胶化过程得到凝胶,凝胶经加热(或冷冻) 干燥、锻烧得到产品。

该法得到的粉末均匀,分散性好,纯度高, 煅烧温度低,反应易控制,副反应少, 工艺操作简单, 但原料成本较高。

1.2 超临界流体干燥法[1]（SGFD法）。

SGFD法是近年来针对溶胶—凝胶法的改进。

采用SGFD法可降低干燥过程中的表面张力，保持凝胶的网络结构，从而获得多孔纳米TiO2。

董国利[2]等人采用SGFD以TiCl4为前驱体，制备出大孔、高比表面积的TiO2超细粉。

1.3沉淀法[3]
1.3.1直接沉淀法
该法操作简单易行,产品成本较低,对设备、技术要求不太苛刻, 但沉淀洗涤困难,产品中易引入杂质, 而且粒子分布较宽。

1.3.2均匀沉淀法
均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来, 在该法中, 加入沉液剂( 如尿素) , 不立刻与被沉淀物质发生反应, 而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成。

该法得到的产品颗粒均匀、致密,便于过滤洗涤,是目前工业化看好的一种方法。

2.纳米二氧化钛性质
二氧化钛因其化学稳定性好、催化活性高、价廉易得、无毒等优点和优异的半导体性质, 在能源和环境方面有着广阔的应用前景. 二氧化钛的晶相主要包括锐钛矿、板钛矿、金红石和二氧化钛 B. 通常情况下, 实验室内比较容易制备出无定形二氧化钛,其经煅烧后首先转变为亚稳相锐钛矿, 最后转变为金红石, 而相变中并不出现板钛矿或二氧化钛 B. 近年来, 通过控制制备条件, 已能较容易地获得锐钛矿、板钛矿、金红石、二氧化钛 B 等晶相. 纳米二氧化钛因其比表面积大、表面活性中心多、性能优异, 使其在环境保护和新能源领域的应用而备受关注. 二氧化钛材料性能受多种因素共同影响、十分复杂, 最近国内外有多篇综述报导了最新研究进展: 如Kitano 等[4]综述了二氧化钛基可见光光催化材料, Chen等[5]综述了二氧化钛纳米材料制备与应用, Hagfeldt 等[6]最近综述了染料敏化太阳能电池方面的最新进展. 本文则侧重介绍二氧化钛光催化及污水处理方面的应用。

3.纳米二氧化钛应用
3.1纳米二氧化钛光催化作用及原理[7]
随着全球城市化、工业化进程的加快和发展，环境污染问题日益严重，特别是各种工业和生活废水、废渣、废气的无理排放，直接导致人们生活环境质量恶化，并引发一系列不良环境恶化后果[8]。

其中有机溶剂的大量挥发和排放是造成
大气污染和水污染的重要因素[9]。

利用光催化降解手段消除有机污染物是近年来日益受到重视的一项新技术。

目前用于光催化降解环境污染物的催化剂多为N 型纳米半导体材料，如TiO2、ZnO、Fe2O3等，其中TiO2因廉价、无毒、稳定、优异的光学性能、催化性能和光电转换性能等优点倍受青睐[10]。

TiO2 在降解环境污染物方面应二氧化钛半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带和空的高能导带构成，价带和导带之间存在禁带。

当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，价带上的电子（e-）被激发跃迁至导带，在价带上产生相应的空穴（h+），并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。

光生空穴有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。

二氧化钛光催化反应机理如下：
（1）TiO2＋H2O →e-＋h+
（2）h+＋H2O →·OH＋H+
（3）h+＋OH-→·OH
（4）O2＋e-→·O2-
（5）·O2-＋H+→HO2.
（6）2HO2·→O2＋H2O2
（7）H2O2＋O2- →·OH＋OH-＋O2
羟基自由基是光催化反应的一种主要活性物质，对光催化反应起决定作用，吸附于催化剂表面的氧及水合悬浮液中的OH-、HO2等均可产生该物质。

氧化作用既可以通过表面键合羟基的间接氧化[12]，即粒子表面捕获的空穴氧化；又可以在粒子内部或颗粒表面价带经空穴直接氧化；或同时起作用，视具体情况而定。

3.2 纳米二氧化钛光催化在废水处理中的应用
纳米二氧化钛光催化反应在环境保护中的应用日益受到人们的重视，这项新的污染治理技术具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染等突出优点，能有效地将有机污染物转化为H2O、CO2、PO43-、SO42-、NO3-、卤素离子等无机小分子，达到完全无机化的目的。

许多难降解或用其它方法难以去除的物质，如氯仿、多氯联苯、有机磷化合物、多环芳烃等也可利用此法有效去除。

（1）
染料废水：对于含苯环、胺基、偶氮基团等致癌物质的染料废水，常用的生物化学法降解往往是低效率的，而利用纳米二氧化钛光催化降解染料去除率可达95%左右。

（2）农药废水：国内专家陈士夫等[2]对于有机磷农药废水TiO2光催化降解的研究指出,该法能将有机磷完全降解为PO43-，除去率达70%－90%，并利用太阳光作了室外实验。

4.展望
纳米TiO2具有优异的催化性能, 光学、热学和电学性能等。

因此,纳米TiO2的制备、应用研究已成为材料科学领域的重要研究课题之一。

发达国家如美、日、欧等国对此研究工作十分活跃, 相继投入了大量人力、物力,并制订了长远规划, 国际上在此领域竞争日趋激烈。

目前, 我国纳米TiO2的研究和制备应用都有了较大进展。

纳米TiO2是当今世界发展较快的无机化工产品,与国民经济有着密切的联系。

纳米TiO2的销售渠道包括建材、塑料、橡胶、造纸、抗菌剂、医疗环境、三废处理等。

纳米TiO2是化工市场的紧俏产品,尤其是高品位的钛白粉,更是紧俏,国际市场也供不应求。

由于纳米TiO2具有多种独特优异性能, 纳米TiO2将会具有更广阔的应用前景,也将会带来更大的经济效应、环境效应和社会效应。

参考文献
[1]张敬畅，曹维良，于定新，石锦华，窦正仓，超临界流体干燥法制备纳米级二氧化钛的研究[J].无机材料学报，1999,14（1）：29—35.
[2] 董国利，施利毅，李春忠等高温气相合成金红石型纳米TiO2颗粒的研究[J].金属学报，2000,36（3）：295—299.
[3] 杨晓芬. 纳米二氧化钛及其应用现状和发展前景[J]. 内蒙古石油化工, 2011, 14: 25-26.
[4] Kitano M, Matsuok M, Ueshima M, et al. Recent developments in titanium oxide-based photocatalysts. Appl. Catal. A, 2007, 325(1): 1−14.
[5] Chen X B, Mao S S. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications. Chem. Rev., 2007, 107(7): 2891−2959.
[6] Hagfeldt A, Boschloo G, Sun L C, et al. Dye-sensitized solar cells. Chem. Rev., 2010, 110(11): 6595−6663.
[7] 刘立华. 纳米二氧化钛应用研究进展[J]. 唐山师范学院学报, 2004, 26(5): 3-5.
[8] 祖庸,雷闫盈,李晓娥,王训,吴金龙.纳米二氧化钛——一种新型的无机抗菌剂[J].现代化工,1999,19(8):46-48.
[9] 孙淑清.光催化反应在环境保护上的应用[J].环境与开发,1999,14(3):15-18.
[10] 牛新书,许亚杰.二氧化钛纳米材料的合成及其在环保领域的应用研究进展[J].化工环保,2002,22(4):203-208.。