溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛

溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛

实验目的

1.溶胶－凝胶法合成纳米级半导体材料TiO2

2.复习及综合应用无机化学的水解反应理论，物理化学的胶体理论

3.了解纳米粒性和物性

4.通过实验，进一步加深对基础理论的理解和掌握，做到有目的合成，提高实

验思维与实验技能

实验原理

纳米粉体是指颗粒粒径介于1～100 nm之间的粒子。由于颗粒尺寸的微细化，使得纳米粉体在保持原物质化学性质的同时，与块状材料相比，在磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化和熔点等方面表现出奇异的性能。

纳米TiO2具有许多独特的性质。比表面积大，表面张力大，熔点低，磁性强，光吸收性能好，特别是吸收紫外线的能力强，表面活性大，热导性能好，分散性好等。基于上述特点，纳米TiO2具有广阔的应用前景。利用纳米TiO2作光催化剂，可处理有机废水，其活性比普通TiO2(约10 μm)高得多；利用其透明性和散射紫外线的能力，可作食品包装材料、木器保护漆、人造纤维添加剂、化妆品防晒霜等；利用其光电导性和光敏性，可开发一种TiO2感光材料。如何开发、应用纳米TiO2，已成为各国材料学领域的重要研究课题。目前合成纳米二氧化钛粉体的方法主要有液相法和气相法。由于传统的方法不能或难以制备纳米级二氧化钛，而溶胶-凝胶法则可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级纳米催化剂[1～3]，因此，本实验采用溶胶-凝胶法来制备纳米二氧化钛光催化剂。

制备溶胶所用的原料为钛酸四丁脂(Ti(O-C4H9)4)、水、无水乙醇(C2H5OH)以及冰醋酸。反应物为Ti(O-C4H9)4和水，分相介质为C2H5OH，冰醋酸可调节体系的酸度防止钛离子水解过速。使Ti(O-C4H9)4在C2H5OH中水解生成Ti(OH)4，脱水后即可获得TiO2。在后续的热处理过程中，只要控制适当的温度条件和反应时间，就可以获得金红石型和锐钛型二氧化钛。

钛酸四丁脂在酸性条件下，在乙醇介质中水解反应是分步进行的，总水解反

应表示为下式，水解产物为含钛离子溶胶。

Ti(O-C4H9)4+4H2O Ti(OH)44C4H9OH

+

一般认为，在含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网状基团。上述溶胶体系静置一段时间后，由于发生胶凝作用，最后形成稳定凝胶。

Ti(OH)4+Ti(O-C4H9)42TiO2+4C4H9OH

Ti(OH)4Ti(OH)4

+24H2O

+

仪器及试剂

试剂

钛酸正四丁脂（分析纯），无水乙醇（分析纯），冰醋酸（分析纯），盐酸（分析纯），蒸馏水

仪器

恒温磁力搅拌器，搅拌子，三口瓶(250 mL)，恒压漏斗(50 mL)，量筒(10 mL, 50 mL)，烧杯(100 mL)

实验步骤

以钛酸正丁酯[Ti(OC4H9)4]为前驱物，无水乙醇(C2H5OH)为溶剂，冰醋酸(CH3COOH)为螯合剂，制备二氧化钛溶胶。

第一组（S/Ti4+=6%mol）：配A、B液，A液由17ml钛酸丁酯、36ml无水乙醇组成；B液由36ml无水乙醇、2.2358g硫脲水溶液、1.5ml冰醋酸、、组成，然后用6mol/L盐酸将B液调制PH=5左右。A液向B液中逐滴滴加，B液用磁子剧烈搅拌，在滴加过程中B液始终澄。滴加完毕后，继续搅拌20分钟，静置12小时，然后放入120℃干燥箱中6小时。从干燥箱中取出样品研磨，再放入500℃马弗炉中煅烧3小时，留样备用。

第二组（S/Ti4+=8%mol）：配A、B液，A液由17ml钛酸丁酯、36ml无水乙醇组成；B液由36ml无水乙醇、2.8539g硫脲水溶液、1.5ml冰醋酸、、组成，然后用6mol/L盐酸将B液调制PH=5左右。A液向B液中逐滴滴加，B液用磁子剧烈搅拌，在滴加过程中B液始终澄。滴加完毕后，继续搅拌20分钟，静置12小时，然后放入120℃干燥箱中6小时。从干燥箱中取出样品研磨，再放入500℃马弗炉中煅烧3小时，留样备用。

实验现象

室温水浴下，在剧烈搅拌下将已移入恒压漏斗中的溶液A缓慢滴入溶液B中，

滴速大约3 mL/min。滴加完毕后得浅黄色溶液，继续搅拌半小时后，40℃水浴加热，2h后得到白色凝胶(倾斜烧瓶凝胶不流动)。置于120℃下烘干，大约12h，得黄色晶体，研磨，得到淡黄色粉末。在450℃的马弗炉下煅烧处理3h，得到不同的二氧化钛(纯白色)粉体。

思考题

1.为什么所有的仪器必须干燥？

答：钛酸四丁酯容易水解，如果仪器不是干燥的可能会引起钛酸四丁酯水解产生沉淀Ti(OH)4，导致实验失败。

2.加入冰醋酸的作用是什么？

答：加入冰醋酸是为了防止钛酸四丁酯水解。

3.为何本实验中选用钛酸正丁酯[Ti(OC4H9)4]为前驱物，而不选用四氯化钛TiCl4

为前驱物？

答：四氯化钛是无机钛盐，钛酸四丁酯是有机钛盐。室温下，四氯化钛是液体，并向空气中发烟，形成二氧化钛固体和盐酸液滴的混合物，污染较大不符合绿色化学的理念。而钛酸四丁酯则不会产生上述污染。