水热法制备二氧化钛纳米材料

收稿日期:2006-12-12 作者简介:夏金德(1962-),男,安徽当涂人,硕士,讲师。 Vol.24No.2 安 徽 工 业 大 学 学 报 第24卷 第2期 April2007 J.ofAnhuiUniversityofTechnology 2007年 4月 文章编号:1671-7872(2007)02-0140-03 水热法制备二氧化钛纳米 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 夏金德 (安徽工业大学 数理学院,安徽 马鞍山 243002) 摘要:采用水热法,使用无水TiCl4及钛酸四正丁酯为原料在反应温度120℃、反应时间5h的条件下,分别制备了不同晶相的二 氧化钛(即锐钛矿相和金红石相)。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)分析手段对样品的物相、结构、形貌进行了 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征和分析。XRD结果表明,使用TiCl4作为原料,可以得到低温稳定的锐钛矿二氧化钛相;使用钛酸四正丁酯为原料,可以制备高 温金红石相二氧化钛。TEM照片清晰地显示了锐钛矿和金红石相的纳米颗粒大小均匀,分散性好。同时对其反应机理进行了简 单的探讨。 关键词:水热法;纳米二氧化钛;反应机理 中图分类号:O614.41 文献识别码:A HydrothermalPreparationofNanoTitaniumDioxideMaterials XIAJin-de (SchoolofMathematicsandPhysics,AnhuiUniversityofTechnology,Ma'anshan243002,China) Abstract:Nanotitaniumdioxideofthetwodifferentkindsofcrystalphases (anataseandrutilephase)were preparedusinganhydrousTiCl4andTi(OC4H9)4asrawmaterialsundertheexperimentalconditionof120℃and 5hbyhydrothermalmethod.Thesample'scrystalphase,structure,morphologyandthereactionprocesswere characterizedandanalyzedbyusingX-raydiffraction(XRD),transmissionelectronmicroscopy(TEM).Theresults ofXRDindicatethatanatasephasenanotitaniumdioxidewhichisstableatlowtemperaturecanbegottenusing anhydrousTiCl4asrawmaterial,rutilephasenanotitaniumdioxidewhichisstableathightemperaturecanbe gottenusingTi(OC4H9)4asrawmaterial.ThepicturesofTEMclearlyshowthatthesizesoftwodifferentkindsof phasesareuniform,andhaveperfectdecentralization.Meanwhile,thereactionmechanismwasdiscussedsimply. Keywords:hydrothermalmethod;nanotitaniumdioxide;reactionmechanism 引 言 TiO2是一种白色颜料[1],也是一种重要的无机化工产品,它的化学性能稳定,具有很高的遮盖力、着色力, 广泛应用于涂料、保护涂料、油墨、塑料、橡胶、纸张、陶瓷和合成纤维等工业领域[2,3]。纳米二氧化钛问世于20 世纪80年代,粒径多为10~50nm,粒子较细,吸收紫外射线的能力比普通TiO2强得多,同时,纳米二氧化钛以 它独特光学催化性能及其电磁性能使其在催化剂、紫外射线吸收剂、气敏传感器、光电池等领域具有广泛的 应用前景。其独特的超亲水性和斥水性,使其在日常生活及国防工业中也有独特的应用[4,5]。纳米二氧化钛 作为功能性材料及技术,其防止紫外射线、抗菌除毒等功能,已应用到人类生活和生产的许多领域,在国防、 农业、工业、医疗、卫生、石油、化工、纺织、环保、建筑等领域显示出诱人的应用前景。研究开发二氧化钛钠米 材料具有重大的现实意义。 1实 验 1.1试剂与仪器 第2期 药品:无水四氯化钛(化学纯,国药集团化学试剂有限公司);HCl溶液(12mol/L)(上海试剂总厂);钛酸 四正丁酯(化学纯,国药集团化学试剂有限公司)。 仪器:X射线衍射仪 XRD(Philips,X'PRT,CuKα1线,λ=1.5406A";透射电子显微镜 TEM(Hitachi-800); 高压反应釜(自制);高速离心机(北京医用离心机厂,LG10-2.4A);电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器 有限公司,PHG-90FAX型)。 1.2TiO2纳米颗粒的制备 (1)以无水TiCl4为原料 取容量为10mL的小量筒1只,将其放进干燥箱彻底干燥后(因为TiCl4极易水解)取出,量取2mL的无 水TiCl4。把量筒内的无水TiCl4倒入已经清洗干净、并且已经干燥过的高压反应釜的内衬中。用容量为20mL 的量筒量取20mL蒸馏水并快速倒入反应釜的内衬中。反应温度为120℃,时间为5h。样品自然冷却后,用 蒸馏水和无水乙醇冷却,直接用于XRD和TEM的观测。 (2)以钛酸四正丁酯为原料 用量筒量取2mL的钛酸四正丁酯倒入反应釜的内衬后,以体积比为1∶10量取20mL蒸馏水,将蒸馏水 倒入内衬和钛酸四正丁酯混合后放入烘箱中。反应温度为120℃,时间为5h。样品自然冷却后,用蒸馏水和 无水乙醇冷却,直接用于XRD和TEM的观测。 2实验结果与讨论 2.1X射线物相分析 图1为以无水TiCl4为原料制备样品的XRD图,从XRD图中可以分析得到,所有的衍射峰都可以标成 面心四方锐钛矿相二氧化钛的(101),(004),(200),(211),(204),(220),(215)晶面衍射峰。通过计算,其晶胞参 数 a=b=3.777A",c=9.501A",α=β=γ=90°。这与标准 XRD的 JCPDS卡片(No.89-4921)标准数据完全吻合, 表明所制备的物质为纯的面心四方锐钛矿的 TiO2。 纳米粒子的粒径可以根据谢乐公式(Scherrer)进行 计算: r=Kλ βcosθ 其中:r为粒子半径;K=0.89;λ是 X衍射线波长,λ= 1.5406A";β是衍射峰的半高宽,单位为弧度;θ是衍 射角。由图1可见,2θ(最强峰)=26°; β=衍 射 峰 的 半 高 宽-仪 器 宽 化=3°-0.1°= 2.9π/180°=0.0506rad。 r=(0.89×1.5406A")/(0.0506rad×cos13°)=2.78nm 这和图3TEM观测的结果粒径大小基本一致。 图 2是以钛酸四正丁酯为原料制备样品的 XRD 图,从图2可以分析得到:所有的衍射峰都可以标成四 方金红石相二氧化钛 (110),(101),(200),(210),(211), (002),(301)的晶面衍射峰。通过计算,其晶胞参数a=b= 4.59A" ,c=3.96A" ,α=β=γ=90°。这与标准 XRD的 JCPDS卡片(No.89-4202)标准数据完全吻合,表明所 制备的物质为纯的四方金红石的TiO2。 同样可以根据谢乐公式,求出其粒径为4.05nm。 这和图4TEM观测的粒径大小基本是一致的。 夏金德:水热法制备二氧化钛纳米材料 141 安 徽 工 业 大 学 学 报 2007年 2.2TEM的结果 TEM照片可以清晰地显示样品的粒度分布状况,图3是以无水TiCl4为原料所制备样品的TEM照片,由 图3可见,TiO2粉体的平均粒径为8nm,这与前面采用谢乐公式计算得出的平均粒径大小基本一致;纳米颗 粒的粒径分布大都处在6~15nm范围之内,粒径分布比较均匀,无团聚现象。 图4是以钛酸四正丁酯为原料所制备样品的TEM照片,由图4可见,纳米颗粒的粒度分布大都处在8~ 20nm范围之内,无团聚,平均粒径为10nm,这也与前面谢乐公式计算得出的粒径大小基本一致。 2.3 机理讨论 根据前面样品的XRD结果可以发现:以无水TiCl4 为原料制备出的纳米晶是锐钛矿相的,而用钛酸四正 丁酯制备的纳米晶是金红石相的。两者的晶相有所不 同,这是因为无水 TiCl4中加入水后水解剧烈,已经直 接生成了大量的锐钛矿相TiO2。而钛酸四正丁酯中加 入水后,水解速度较慢,首先生成锐钛矿相 TiO2,而生 成的锐钛矿相TiO2颗粒较小,故其反应的活性较大。在 水热反应过程中,如果保温时间足够长,就有可能由锐 钛矿相完全转变为金红石相。采用本 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 制备出的金 红石相的TiO2纳米晶相的过程更简单、反应温度更低。 3结 论 利用水热法,以无水TiCl4和钛酸四正丁酯分别制 备出了面心四方锐钛矿相的 TiO2和四方金红石相的 TiO2纳米晶。XRD结果表明:使用无水TiCl4为原料,可 以得到低温稳定锐钛矿相的纳米晶;使用钛酸四正丁 酯为原料可以得到高温金红石相的纳米晶。通过谢乐 公式计算出其粒径分别为2.78nm和4.05nm,这与图 3,4观测的结果基本一致。此外,图3,4还清晰地显示 了锐钛矿和金红石相的纳米颗粒大小均匀,分散性好。 参考文献: [1]徐兆瑜.纳米 TiO2的新功能及其应用进展[J].化工技术与开 发,2003,6(32):27-32. [2]霍子春.我国钛白粉现状和发展建议[J].精细与专用化学品, 2000,8(13):3-5. [3]王莹,叶亮,周新华.钛白粉在涂料中的应用和发展趋势[J].精 细与专用化学品,2001,9(2):6-7. [4]李燕,陈祖耀.纳米级TiO2超细粉的水热合成及结构相变的研 究[J].安徽建筑工业学院学报,1997,1(5):39-41. [5]种法国,赵景联.微波水热晶化制备纳米TiO2光催化剂及其性能研究[J].高校化学工程学报,2006,20(1):138-141. 142