纳米TiO2制备及应用

北京化工大学北方学院NORTHCOLLEGEOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGY（2007）级纳米材料合成与应用作业题目：二氧化鈦纳米材料的制备与应用学院：理工院专业：应用化学班级：0702学号：070105050姓名：赵积智北京化工大学北方学院毕业设计（论文）I诚信说明本人申明：我所呈交的纳米材料课设论文是本人在众多资料的帮助下以及对纳米材料专业知识的学习和研究进行全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学北方学院或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成课设论文的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。本人签名：年月日北京化工大学北方学院毕业设计（论文）II二氧化钛纳米材料的制备与应用赵积智应用化学专业应化0702班学号070105050指导教师顾明广老师摘要此课设论文是关于纳米二氧化钛材料的制备及应用，论文主要根据二氧化钛的表征及性能，深入地讨论了纳米二氧化钛材料的一些制备方法及应用。从物理法和化学法、或从液相法和气相法，详细地概述了二氧化钛粉体制备和薄膜制备。在诸多性能的分析下，二氧化钛纳米材料在污水处理、空气净化、太阳能利用、抗菌、防雾、自清洁功能等方面起到了实际作用。在写作过程中，本文通过查找各种关于纳米材料以及有关纳米科技的书籍和文献进行论述，充分体现了纳米材料在生活中的应用。关键词：二氧化钛纳米材料制备应用北京化工大学北方学院毕业设计（论文）III目录前言.......................................................1第1章二氧化钛纳米材料的制备...............................21.1节二氧化钛纳米的制备评述...............................21.2节二氧化钛纳米粉体的制备...............................31.3节二氧化钛纳米薄膜的制备...............................61.4节二氧化钛纳米管的制备.................................7第2章二氧化钛纳米材料的应用...............................82.1节光催化的应用.........................................82.2节TiO2光伏电池.........................................92.3节太阳能分解水.........................................9总结......................................................10参考文献....................................................11北京化工大学北方学院毕业设计（论文）1前言纳米材料和纳米技术是20实际80年代末期兴起的一门新学科，虽发现时期不长，但发展速度令人惊奇，纳米材料不仅在其制备、表征、性能测试和加工方面取得了许多成果，而且其应用领域不断或大，从昔日的高技术的宠儿，逐渐进入寻常百姓生活，渗透到了人们的衣食住行当中。因此纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”，而纳米技术将成为本世纪新工业革命的主导技术之一，将极大地改变人类的生产和生活方式。纳米粒子的制备一直备受科学研究的焦点问题，尤其对二氧化钛纳米的合成和植被方法的研究进行的最早。其中由于二氧化钛纳米材料的诸多表征与性能，使其成为科技界重要的研究对象，以及它们在光、电磁、电光、磁光和催化传感器或元器件等方面所展现的广阔应用前景，将进一步激发人们对其二氧化钛纳米材料的研究领域的兴趣。关于二氧化钛纳米材料物理和化学（气相和液相）方法制备的综合评述，通过本论文对二氧化钛纳米粉体和纳米薄膜在制备性能等方面，已完成的研究工作进行总结和应用前景的讨论。对于先进材料的合成而言，化学制备方法具有通用方便，经济等优点，可以很容易有液相转为固相，并具有规模放大简单的优势。二氧化钛纳米粉体作为一种重要的无机功能材料，不仅可以作为吸附剂和催化剂载体传感器（二氧化钛对CO和H2极为敏感），而且还可以和二氧化硅形成TiO2-SiO2纤维，同时纳米二氧化钛又是许多电子器件的重要组成部分。纳米二氧化钛薄膜既具有固定催化剂的优点，又由于尺寸细化而具有纳米材料的量子尺寸效应，小尺寸效应，表面与界面效应，量子限域效应等特征而有可能提高活性，因而有着理论研究和实际应用价值。本论文所写内容主要概述了当前有关二氧化钛纳米材料粉体和薄膜制备及应用的前沿资料，在编写中我通过对二氧化钛纳米材料了解，以及它的各种特殊性能的理解，简明系统介绍了二氧化钛纳米的制备方法及应用领域。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）2第1章二氧化钛纳米材料的制备1.1节二氧化钛纳米的制备评述随着世界各国对纳米科技的重视和大规模投入，纳米科技正蓬勃发展，作为纳米科技的基础，各种纳米材料如雨后春笋般的出现，众所周知的是纳米材料的形态和状态取决于纳米材料的制备方法，新材料制备工艺和设备的设计、研究和控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要影响。因此，国内外一直致力于研究。纳米材料的合成与制备方法也一直是纳米科学领域内的一个重要研究课题。纳米材料的制备不仅包括纳米粉体、纳米快、纳米管和纳米薄膜的制备技术，还包括纳米高分子材料的制备技术、纳米有机-无机材料的杂化技术，纳米元器件制备技术、纳米胶囊制备技术和纳米组装技术等等。在此，本论文对二氧化钛纳米的制备及应用进行简要的介绍，对二氧化钛纳米粉体、纳米薄膜和纳米管的制备做详细的概述。二氧化钛纳米材料的制备方法分为：物理法和化学法。物理法是最早采用的纳米材料制备方法，其方法采用高能消耗的方式，“强制”材料“细化”得到纳米材料。且常用有构筑法（气相沉积法等）和粉碎法（高能球磨法等）。物理法制备纳米材料的优点是产品纯度高，缺点是产量低、设备投入大。而化学法采用化学合成的方法，合成制备纳米材料。例如，沉淀法、化学气相凝聚法、水热法、溶胶-凝胶法、热解法和还原法等。对于化学法的制备优点是所合成的纳米材料均匀，大量生产设备投入少，缺点是产品有一定杂质，高纯度难。也有人认为按照所制备的体系状态分更科学，即TiO2纳米材料的制备方法分为：气相法、液相法和固相法[1]。气相法是直接利用气体和利用各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后冷却过程中凝聚形成纳米微粒的方法。液相法是指在均相溶液中，通过各种方式或使用溶质和溶剂分离，溶质形成状态大小不一的颗粒，得到所需粉末的前驱体加热分解后得到纳米颗粒的方法。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3固相法是固相原料通过降低尺寸或重新组合制备纳米粉体的方法，对于二氧化钛纳米的制备方法进行分类和定义，通过选用不同的方法，来合理简便制备TiO2纳米粉体和纳米薄膜。以便大家参考。1.2节二氧化钛纳米粉体的制备纳米TiO2粉体作为一种重要的无机功能材料，在多相光催化体系中，由于纳米二氧化钛粉体与污染物有这更大的接触面积，悬漿体系中二氧化钛表现出更高的光催化活性[2]。纳米TiO2粉体无毒，氧化能力强，是优良的光催化剂、传感器的气敏元件、催化剂载体或吸附剂，也是功能陶瓷、高级涂料的重要原料，热稳定性好且原材料广泛易得，它有三种晶型:板钛矿、锐钛型和金红石型。纳米二氧化钛1.2.1液相法制备纳米TiO2粉体目前制备TiO2纳米材料应用最广泛的方法是各种前驱体的液相合成法，这种方法优点是：原料来源广泛、成本较低、设备简单、便于大规模生产，但是产品的均匀性差，在干燥和煅烧过程中易发生团聚。当实际中应用最普遍的液相制备法主要有；液相沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法和水解法。(1)液相沉淀法a.直接沉淀法[3]直接沉淀法合成纳米TiO2粉体，一般以TiCl4或者Ti(OC4H9)4等为原料与试剂，而采用表面活性剂有羟丙基纤维素、三乙胺羟基丙烯酸纤维素、三醇硅烷、聚乙二酸（PEG）、聚乙烯酸（PVA）、TritonX-100和琥珀酸二异辛酯磺酸钠（AOT）等。在TiO2的合成中，一般化学反应过程为：TiCl4/Ti(OC4H9)4→Ti(OH)4→TiO2反应过程中间都有生成无定形的Ti(OH)4过程，其关键即使Ti(OH)4防止缩合北京化工大学北方学院毕业设计（论文）4产生的硬团聚。b.均相沉淀法均相沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液缓慢均匀地释放出来，在该法中加入沉淀剂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发生。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)水热法水热法合成法是制备氧化物纳米晶体的重要方法，是指在密闭体系中，以水为溶剂在一定温度和水的自生压力下，原始混合物进行反应，通常是在不锈钢反应釜内进行[4]，加热温度一般高于100摄氏度，压力大于101.3KPa。水热法合成的优点[5]在于可直接生成氧化物，避免了一般液相合成方法需要经过煅烧转化成氧化物这一步骤，从而极大地减低乃至避免了硬团聚的形成。在二氧化钛的制备中，水热法吸引人的地方是可制备不同晶相的二氧化钛。金红石、锐钛矿和板钛矿都可能通过水热法来制备。Nagase和Zhang等人用水热法制备了纯度较高的板钛矿，前者是在弱碱条件下处理无定形的二氧化钛得到的，后者则用碱调节溶液的pH=12.9值，再经水热法得到了板钛矿相[6~7]。水热法制备纳米二氧化钛粉体，国内尚没有实现工业化生产的先例，国际上也只有日本少数公司采用，其原因可能是对反应设备条件要求的提高，需要耐温、耐压、耐酸腐蚀的压力反应釜。因此，我们在原先的研究工作基础上进行较大改进，在相对较低的水热反应温度条件下制备粒度均匀，分散性好的金红石型和锐钛矿型纳米二氧化钛粉体。从而大大减低反应设备条件的要求，为实现工业化生产提供了现实的可能性。(3)溶胶-凝胶法早在1845年M.Ebelmen在《ManufacturedeCeramiquesdeSevres》一书中就描述过溶胶-凝胶的过程。但直到近20年，其重要性才逐渐被深刻认识到。溶胶的定义是：胶态颗粒在液相体系中形成的稳定分散系；凝胶的定义：有液相介质获得的形状稳定的三维互联的多孔固体网络，其尺寸仅受容器的大小限制。溶胶-凝胶法可用来制作陶瓷、玻璃纤维、大块固体和薄膜材料等。溶胶-凝胶法的基本步骤是：先将醇盐溶解于有机溶剂，通过加入蒸馏水，使醇盐水解形成溶胶，溶胶凝化处理后得到凝胶，再经干燥和煅烧即得到超细粉体[4]。根据现阶段研究表明，适当地控制溶液pH、溶液北京化工大学北方学院毕业设计（论文）5浓度、反应温度和反应时间可以制备出小至纳米的超细粉体。溶胶-凝胶法有如下优点：a.反应条件温和，成分容易控制。b.工艺、设备简单。c.产品纯度高。缺点：原材料价格昂贵，凝胶颗粒之间烧结性差，产物干燥时收缩大。(4)水解法[8]水解法是在一定的条件下使前驱物分子在水溶液体系进行充分水解。以制备纳米二氧化钛的方法，其基本步骤包括：水解、中和、洗涤、烘干和焙烧。TiO2水解常以TiCl4(价廉、易得化工原料)为前驱物，通过向TiCl4溶液中加入硫酸铵溶液来控制水解并用氨水来调节pH，制备出粒径均匀的锐钛矿相纳米TiO2粉体，室温下陈化、过滤、用蒸馏水洗去氯离子，将沉淀真空干燥或将真空干燥后的粉体在不同温度下煅烧，即可得到不同形貌的纳米二氧化钛粉体。(5)微乳液法[9]微乳液法制备纳米TiO2粉体是近几年来才发展起来的一种方法，微乳液法是指热力学稳定分散的互不相溶的液体组成的宏观上均一而微观上不均一的液相混合物。该法的制备原理是在表面活性剂作用下使两种互不相溶的容积形成一个均匀的乳液，利用这两种微乳液间的反应可得到无定