纳米二氧化钛的制备及其研究进展

 学院：  化学与材料工程  班级： 无机非金属材料工程12级卓越班  学号：18120120              

姓名：   秦锦峰             授课教师：      李子荣               成绩：                  

论文摘要：

纳米二氧化钛因其具有无毒、价格低廉、化学性质稳定和具有十分良好的催化紫外屏蔽等功能，在催化剂、无毒涂料、半导体、抗菌消毒、污水处理等诸多领域均有广泛的应用，因此，纳米二氧化钛具有广阔的应用前景，本文主要介绍了纳米二氧化钛的各种制备方法、性能及其在各个方面的应用。

纳米二氧化钛的制备及其研究进展

秦锦峰

（安徽科技学院，化学与材料工程学院，凤阳，233100）

摘要：纳米二氧化钛因其具有无毒、价格低廉、化学性质稳定和具有十分良好的催化紫外屏蔽等功能，在催化剂、无毒涂料、半导体、抗菌消毒、污水处理等诸多领域均有广泛的应用，因此，纳米二氧化钛具有广阔的应用前景，本文主要介绍了纳米二氧化钛的各种制备方法、性能及其在各个方面的应用。

关键词：纳米二氧化钛；制备方法；性能；应用；

1、前言：

纳米微粒是指颗粒尺寸在1~100nm的超细微粒，由于纳米微粒具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和量子隧道效应，所以具有许多特殊的效应，在医药、催化、光吸收、磁介质及新材料等方面具有广阔的应用前景。而纳米二氧化钛由于粒径小、比表面积大，性能稳定，无毒环保且具有抗光学腐蚀和化学腐蚀，良好的光催化性能等优点。因此备受人们关注，纳米二氧化钛的制备及性能研究成为国内外科技界研究的热点。纳米二氧化钛，也称纳米钛白粉，主要有三种结晶形态：板钛矿、金红石型和锐钛矿型。

2、纳米二氧化钛的制备方法

纳米二氧化钛的制备方法有很多，按照反应性质、制备原理可分为：物理法、化学法；其中化学法是常用的制备纳米二氧化钛的方法，根据反应体系和状态主要分为液相法、气相法。本文主要介绍液相法与气相法。

2.1液相法

与气相法相比，液相法生产的相对稳定，而且反应条件温和、工艺简单、危险系数低、在常温下进行的液相反应简单易控制、可用于大规模生产、清洁环保，液相法主要包括：沉淀法、醇盐水解法、溶胶 - 凝胶法和微乳液法等。

2.1.1沉淀法

沉淀法制备纳米二氧化钛，原料选择很多，一般采用如硫酸钛、四氯化钛等钛盐作为主要原料、也可采用钛液作为原料，通过一定的反应和操作使产物沉淀，沉淀法通常分为直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。

2.1.2醇盐水解法

金属醇盐水解法制备纳米二氧化钛一般将四氯化钛与无水乙醇反应生成钛酸酯,反应生成二氧化钛的醇溶胶,经二次水洗涤、热处理、干燥后,得到二氧化钛纳米粒子。

其反应机理方程式为:

Ti(OR)4+4H2O(g) → Ti(OH)4+4ROH

Ti(OH)4→TiO2(S)+2H2O

该实验方法操作简单,耗能较小,重复性好,所得二氧化钛粒子纯度高,分散性好，缺点是所需钛的醇盐价格较贵,成本高,且水解条件较难以控制。

2.1.3溶胶 - 凝胶法

溶胶 - 凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再以热处理而成氧化物或其他化合物的方法。

方法一：将Ti(OBu)4在搅拌条件下缓慢滴加到无水乙醇中形成透明溶液 （1），另将稀HNO3中加入无水乙醇和二次水，形成澄清透明溶液（2），将(2)溶液在磁力搅拌器搅拌下缓慢地滴加到(1)溶液中，形成透明的溶胶，静置一段时间得到凝胶，干燥、焙烧即可得纳米二氧化钛粉体。

方法二：将20mLTiCl4缓慢滴入50mL氨水中，调节PH值使之反应，在真空抽滤泵下抽滤得白色沉淀，洗涤至无氯离子，烘干、称量。然后将之在马弗炉里600℃灼烧2h即可制得纳米二氧化钛。

2.1.4微乳液法

微乳液法是一种制备纳米粉体的新型方法。微乳液法是由表面活性剂、助表面活性剂、油和水组成的透明的、各向同性的热力学稳定体系。

该方法优点是不需要加热、设备简单、操作容易，所得到的产品粒度小、可控、分布均匀、易于纯化等，缺点是很难制得均一稳定的微乳液体系。

2.2气相法

气相法是直接利用气体或者通过加热、加压等各种方法将非气态物质变成气体，使该物质在气体状态下发生反应，最后使之在逐渐冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气相法制备纳米二氧化钛主要的方法有四氯化钛气相氧化法、四氯化钛氢氧火焰法、钛醇盐气相水解法、钛醇盐气相分解法等。

2.1.1四氯化钛气相氧化法

基本化学反应方程式为：

TiCl4(g)+O2(g) →TiO2(s)+Cl2(g)

利用N2携带TiCl4蒸汽，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850℃后经套管喷嘴的外管也进入反应器，TiCl4和O2在800-1300℃下反应，所生成的纳米TiO2微粒粒子经捕集系统收集，实现气固分离。此方法优点是可以制备出优质的纳米二氧化钛粉体、自动化程度较高、粒度均匀，缺点是对设备的要求高，同时会产生对环境有污染的氯气。

2.1.2四氯化钛氢氧火焰法

基本的化学反应式为：TiCl4（g）＋2H2(g) ＋O2→TiO2(s)＋4HCl(g)

这种方法制得的纳米二氧化钛粒度小、纯度高、分散性好、表面活性大等优点，缺点是所需的反应温度较高危险系数较高，不适合大规模生产，因此对实验器材的要求比较严格，目前该方法主要应用于催化剂、功能陶瓷等方面材料的制备。

2.1.3钛醇盐气相水解法

钛醇盐气相水解法是以氮气、氧气作为载气，以钛醇盐做为主要原料，将钛醇盐蒸气和水蒸气分别加入到反应器，充分混合、水解反应制得纳米二氧化钛。此方法的优点是反应温度比较低、对材质的要求相对较低、耗能小、安全稳定，缺点是反应过程不稳定，工艺参数的设定具有严格的要求。

2.1.4钛醇盐气相分解法

此方法与钛醇盐气相水解法类似，主要以钛醇盐为原料，将其加热气化，用氮气、氦气或氧气作载气，把钛醇盐蒸气预热后通入热分解炉，使之进行热分解反应，从而制得纳米 二氧化钛粒子。该工艺的特点是：可连续大规模生产，反应速度较快，节省时间，但所需的原料价格较高、实验器材设备的材质以及加热的问题有待进一步解决。

3、纳米二氧化钛的表面性能

纳米二氧化钛由于粒度小，表面能大，因此纳米二氧化钛的表面具有许多性质，比如表面超亲水性、表面羟基、表面电性等性能。

3.1.1表面超亲水性

目前的研究认为,二氧化钛表面的超亲水性是由于在光照条件下使其表面结构的发生变化;例如在紫外光照射下, 二氧化钛价带电子被激发到导带,使电子和空穴向二氧化钛的表面迁移,在其表面生成电子空穴对,电子与钛离子发生反应,空穴则与表面桥氧离子反应,分别形成氧空位和正三价的钦离子。

3.1.2表面羟基

相对于其它的金属氧化物，纳米二氧化钛中Ti-O键的极性较强，表面吸附的水分由于极性而发生解离，易于形成羟基，这种在表面形成的羟基可以增强纳米二氧化钛作为吸附剂及各种载体的性能，有利于表面的改性。

3.1.3表面电性

钛白在干粉的状态下通常带有静电荷，而在液态介质中由于表面带有电荷就会吸附相反的电荷而形成扩散双电层，使得颗粒的有效直径增加，当颗粒彼此接近时，因其带相反的电荷相互排斥，有利于分散体系的稳定。

4、纳米二氧化钛在各方面的应用

4.1.1涂料、涂层方面的应用

因为纳米材料尺寸较小，呈现出许多特殊的性质，如果在涂料中加入纳米材料可以显著提高涂料膜的各方面的性能，比如，耐腐蚀性、机械强度、附着力等。

在涂料中掺入二氧化钛之后可以使涂膜层产生绚丽而漂亮的色彩，还可以起到杀菌、净化空气的作用，此外还可提高涂料的耐用性。

由于纳米二氧化钛具有半导体性质，将之掺入到树脂中形成涂层具有很好的静电屏蔽作用，可涂覆在家用电器上可防止静电，从而避免电器吸尘。除此之外纳米二氧化钛还可制出隐身涂料，可以用于飞机、军舰等国防上的应用。

4.1.2化妆品上的应用

纳米二氧化钛属于N型半导体，禁带宽度为3.0eV,当波长小于400nm 的紫外线照射时，价带上的电子可吸收紫外线而被激发到导带上,因此纳米二氧化钛可以很好吸收紫外线。

因为纳米二氧化钛对紫外线很好的屏蔽作用，无毒以及透明性等特点，可以将之加入防晒霜类护肤产品，防晒化妆品用纳米二氧化钛除必须具备安全无毒、防晒能力强、与其他原料有极好的相容性的特点外，本身色泽还必须浅，无色或白色最好，以利于化妆品颜色的调配，适当地提高化妆品中纳米二氧化钛的含量，可提高防晒系数。

4.1.3污水处理上的应用

目前国内外传统的污水处理方法有化学氧化法、物理吸附法、高温焚烧法和微生物处理法。这些方法对环境的保护和治理起到重要作用,发展也比较成熟，但是也存在着许多缺点比如效率低、不能彻底将污染物除去、容易造成再次污染;使用面较窄,具有针对性仅仅可以对特定的污染物进行处理;耗能大,不适合大规模推广等方面的缺陷。而利用纳米二氧化钛进行光催化降解的污水处理技术,这项新的多相光催化污染治理技术与传统的污水处理方法相比具有因具有工艺相对简单、耗能低、反应条件温和等特点,是一种十分有效的污水处理方法。

纳米二氧化钛能有效地将废水中的有机物降解为无机小分子,达到安全无机化的

目的。目前经研究发现纳米二氧化钛可以对工业废水、农药废水、表面活性剂、原油泄漏所造成的污水进行氧化降解。

此外，纳米二氧化钛在空气净化、防尘除臭、医学杀菌还可用作传感器材料等诸多方面，总之应用十分广泛。

5、总结

纳米材料作为一个比较新兴的研究领域，虽然目前的研究应用不是特别深入，但是随着科技的不断发展，对纳米材料的研究不断深化，纳米材料必将使人们的生活生产发生重大的变化，随着纳米二氧化钛制备工艺不断完善，相信纳米二氧化钛的诸多性质将会在工业生产以及人们的生活方面有着巨大的影响，具有极其光明的前景！

参考文献

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"安徽科技学院2014-2015学年第2学期《纳米材料合成技术》课程论文

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论文摘要：

纳米二氧化钛因其具有无毒、价格低廉、化学性质稳定和具有十分良好的催化紫外屏蔽等功能，在催化剂、无毒涂料、半导体、抗菌消毒、污水处理等诸多领域均有广泛的应用，因此，纳米二氧化钛具有广阔的应用前景，本文主要介绍了纳米二氧化钛的各种制备方法、性能及其在各个方面的应用。