二氧化钛粉备与应用

综合化学实验开题报告

实验名称： 二氧化钛粉备与应用                         

专业：  应用化学  班级：   1102           

同 组 人： 路娟娟 刘珍珍 刘亚珍 

马  跃 林文博 李海霞                      

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开题时间：     2014.12.08                       

河北科技师范学院化学工程学院综合化学实验室

二氧化钛粉备与应用

一．研究背景

纳米二氧化钛光催化剂是近年来国际学术界最活跃的研究领域之一。光催化技术在环境保护、太阳能利用和新功能材料开发等方面具有广阔的应用前景，是具有重大经济效益和社会效益的高新技术。该技术不会产生二次污染，应用范围相当广泛，且降解反应在常温常压下即可进行。TiO2的能带是不连续的，价带(VB)和导带(CB)之间存在一个禁带，由于n型半导体的这种特殊的电子结构，当光子能量达到或超过其带隙能时，其价带电子被激发到导带，激活态的导带电子(e-)和价带空穴(h+)能够重新合并，使光能转化为热能而散失。 

二．制备方法

纳米级超细 TiO2 粉体的制备方法，可以概括为气相法和液相法。下面分别进行介绍。

1.气相法

1.1TiCl4 氢氧火焰水解法

该法与气相法生产白炭黑的原理类似，是将TiCl4 气体导入氢氧火焰中（700–1000℃）进行气相水解。TiCl4 氢氧火焰水解法最早由德国迪高沙（Degussa）公司开发成功，并生产出纳米超细 TiO2 粉体的著名牌号之一。 此外， 还有美国的卡博特公司和日本的 Aerosil 公司等采用这种方法生产超细 TiO2粉体。

优点：产品纯度高（99. 5% ）、粒径小（21m）、表面积大、分散型好、团聚程度较小，主要用于电子材料、催化剂和功能陶瓷等。该工艺的特点是过程较短，自动化程度高。

缺点：采用这种工艺制备的粉体一般是锐态型和金红石型的混合型，且其过程温度较高，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。

1.2TiCl4 气相氧化法

这种方法与氯化法制造普通金红石型的原理相类似，只是工艺控制条件更加复杂和精确。施利毅、李春忠等利用 N2 携带 TiCl4 蒸气，经预热到435℃后经套管喷嘴的内管进入高温管式反应器，O2 经预热到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，反应生成的纳米 TiO2 微粒经粒子捕集系统，实现气固分离。 

优点：这种工艺的优点是自动化程度高，可以制备出优质的粉体。

缺点：这种工艺目前还处于实验室小试阶段，该工艺的关键是要解决喷嘴和反应器的结构设计及TiO2粒子遇冷壁结疤的问题。

1.3钛醇盐气相水解法

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二氧化钛。日本曹达公司和出光兴产公司氮气、氦气或空气作为载气，将钛醇盐蒸汽和水蒸气分别导入反应器的反应区，进行瞬间混合和快速水解反应；通过改变反应区内各蒸汽的停留时间、摩尔比、流速、浓度以及反应温度来调节二氧化钛的粒径和粒子形状。

优点：这种制备工艺可以获得平均原始粒径为10–150 nm，比表面积为50–300m2／g 的非晶形纳米二氧化钛。特点是操作温度低、能耗小，对采制要求不是很高，并且可以连续化生产。

1.4钛醇盐气相分解法

该工艺以钛醇盐为原料，将其加热汽化，用氮气、氦气或氧气作载气将钛醇盐蒸气经预热后导入热分解炉， 进行热分解反应。据称，为提高分解反应速率，载气中最好含有水蒸汽，分解温度以250–350℃为合适，钛醇盐蒸气在热分解炉的停留时间为0 1–10S，其流速为10–1000mm／S，体积分数为01%–10% ；为提高所生成纳米二氧化钛的耐候性，可向热分解炉同时导入易挥发的金属化物（如铝、锆的醇盐）蒸气，使钠米二氧化钛粉备和无机表面处理同时进行。

2.液相法

2.1TiCl4 碱中和水解法

以氯化法钛白粉厂的精制TiCl4 为原料，将其稀释到一定浓度后，加入碱性溶液进行中和水解，所得的二氧化钛水合物经洗涤、干燥和煅烧处理后即得纳米二氧化钛产品。

美国的 Tioxide公司便利用这种方法合成针状金红石型纳米二氧化钛产品。 日本原产业公司生产的 TTO纳米二氧化钛产品可能也是利用这种方法生产的。

2.2TiOSO4 水解法

以 TiOSO4 为原料，将其配制成一定浓度的溶液后，进行碱中和水解或加热水解，形成的二氧化钛水合物经解聚、洗涤、干燥处理后，根据不同的煅烧温度便得到不同晶型的纳米二氧化钛产品。

优点：原料来源广，产品的成本较低。

缺点：工艺路线长，自动化程度低，各个工序的工艺参数需严格控制，否则 难以得到分散性较好的纳米二氧化钛产品。

2.3钛醇盐水解法

该法为溶胶-凝胶法的一种，以钛醇盐为原料，通过水解和缩聚反应制得溶胶。再进一步缩聚得到凝胶。凝胶经干燥、煅烧得到纳米 TiO2。

优点：工艺原料的纯度较高：整个过程不引进杂质离子，可通过严格控制工艺条件，制得纯度高、粒径小、粒度分布窄的纳米粉体，且产品质量稳定。

缺点：原料成本高，干燥、煅烧时凝胶体积收缩大，易造成纳米 TiO2颗粒间的团聚。

2.4水热合成法

基本操作是：在内衬耐腐蚀材料的密闭高压釜中加入纳米二氧化钛得前驱体（ 充填度为60%–80% ），按一定的升温速度加热，待高压釜达所需的温度值， 恒温一段时间，卸压后经洗涤、干燥即可得到纳米级的二氧化钛。 

优点：制备的纳米二氧化钛粉体具有晶粒发育完整、原始粒径小、分布均匀、 颗粒团聚较少的特点。

缺点：设备要经历高温、高压，因而对材质和安全要求较严，而且成本较高。

2.5W／O 微乳法

微乳法制备纳米级超细 TiO2 是近年来研究较多的方法之一。微乳技术的关键是制备微观尺寸均匀、可控、稳定的微乳液。微乳法有望制备单分散的纳米 TiO2 微粉，但降低成本和减轻团聚仍是微乳法需要解决的两大难题， 估计利用 微乳法工业生产纳米级超细 TiO2 还需经历相当的时间。

3.选择方法

通过上述方法的比较，以及对实验室条件的考虑，二氧化钛粉体的制备采用溶胶–凝胶法，并用制备的粉体对甲基橙进行降解研究。

三．实验设计

1.仪器和药品

仪器：100mL烧杯、500mL烧杯、滴管、玻璃棒、移液管、光催化反应器、500mL 容量瓶、25mL容量瓶、研钵、瓷坩埚、马弗炉、烘箱、天平、磁力搅拌器、离心机、722型分光光度计、紫外可见分光光度计、X射线衍射仪、透射电镜。

药品：钛酸丁酯Ti(OC4H9)4、无水乙醇C2H5OH、冰醋酸CH3COOH、甲基橙C14H22N3SO3为化学纯或分析纯试剂。

2.实验步骤

量取17mL钛酸丁酯与40mL无水乙醇于100mL烧杯中配成溶液(1)，再依次量取40mL无水乙醇、3mL蒸馏水、8mL冰醋酸于500mL烧杯中配成溶液(2)，强烈搅拌下将(1)逐滴加入(2)中，滴完后持续搅拌30min，即可制得TiO2凝胶。把凝胶置于温度为120℃的烘箱中，干燥2h，得淡黄色晶状体，用研钵研细后将其置于马弗炉中500℃恒温煅烧2h。煅烧后取出，研磨成细微粉末。用X射线衍射仪分析晶相及晶粒大小，并通过透射电镜观察晶体形貌。

3.光催化反应

将0.25gTiO2粉末加入到装有浓度为20mg•L-1的500mL甲基橙溶液的反应器中。开始反应后，在反应时间分别为10、20、30、40、50min时取样10mL，离心机分离(3000r∕min，20min)，采用722型分光光度计测定上清液中甲基橙溶液的浓度。计算降解率。