低温制备金红石型纳米二氧化钛的研究

毕业论文题目:低温制备金红石型纳米二氧化钛的研究学生姓名桑城学号2006221113100031专业高分子材料与工程指导教师评阅教师目录摘要······································································································（）关键词···································································································（）前言······································································································（）一、纳米二氧化钛的简介··········································································（）1.1纳米材料的简介·············································································（）1.2纳米二氧化钛的特性和应用······························································（）1.3纳米二氧化钛的制备和现状······························································（）二、论文工作的提出················································································（）2.1···································································································（）2.2···································································································（）三、实验过程及结果分析··········································································（）3.1试剂与仪器····················································································（）3.2实验过程·······················································································（）3.3样品表征·······················································································（）3.4结果分析·······················································································（）四、总结································································································（）致谢······································································································（）参考文献································································································（）低温制备金红石型纳米二氧化钛的研究学生：桑城指导老师：王世敏湖北大学材料科学与工程学院摘要：本文以TiCl4为原材料，采用水低温液相法比较方便地合成了金红石型纳米二氧化钛.将不同浓度TiCl4直接注入水中，先稀释到一定浓度，为了控制粒度和粒度分布及反团聚，也有的向TiCl4稀释液中加醋酸、柠檬酸、草酸或H2O2，使TiO2+形成络合物，再加NH3中和水解，这样可控制水解速度.该方法的优点是：工艺简单，反应条件温和且反应时间短，产品粒度均匀，分散性好，颗粒尺寸人可控，可以制得锐钛矿型、金红石型及板钛矿晶型，原料易得，生产成本较低，易于实现工业化.但是此方法需要经过反复洗涤来除去氯离子，所以存在工艺流程长、废液多、产物损失较大的缺点，而且完全洗净无机离子较困难.关键词：纳米结构；液相法；金红石；二氧化钛低温Keywords:前言社会的发展，经济的振兴和国家的安全对高科技的需求越来越迫切，元器件超微化，高密度集成和高空间分辨要求材料的尺寸越来越小，航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高[01]，因此纳米材料将是起重要作用的关键材料之一，而与之相关的纳米技术将会成为重点研究对象.纳米是一个长度单位，1nm为10-9.也正是因为如此，纳米材料的定义一般把构成材料的颗粒限制在0.1～100nm范围内.广义地说，纳米材料是指在三维空间至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料[01].纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺寸大于原子簇，小于通常的微粉.通常，把仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的微粒称为“簇”，而把粒径在1～100nm之间的微粒称为纳米粒子.当小粒子尺寸进人纳米量级时，其本身就具有了量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应和量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、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(TiO2)由于其具有粒径小、比表面积大、磁性强、光催化、吸收性能好，吸收紫外线能力强，表面活性大、热导性好、分散性好、所制悬浮液稳定等优点，因此倍受关注，制备和开发纳米二氧化钛已成为国内外科技界研究的热点之一.纳米TiO2作为一种重要的无机功能材料，因其具有高光催化活性、良好的耐候性、耐腐蚀性，强紫外线屏蔽能力以及能产生奇特颜色效应等独特的性能，在废水处理、防晒护肤、涂料和汽车工业、传感器、功能陶瓷、光催化剂等诸多领域备受人们的关注。随着精密电子陶瓷材料的发展，对粉末原料的要求日益增高，需求量也大幅度增加，TiO2纳米粉因其比表面积大，反应活性高，有特殊的物理化学性质而被广泛地应用于铁电、压电陶瓷、压敏、气敏、湿敏元件等半导体陶瓷领域和化工等其他领域，同时它又是许多电子器件的重要组成部分。制备出纯度高、粒度小、分布窄、分散性好的TiO2纳米粉体是纳米TiO2的优异性能得以实现和付诸应用的前提。本文分析和总结了前人对纳米二氧化钛研究的一些成果，改善了其制备方法，成功地制备出了金红石型纳米二氧化钛，并对其进行了一系列的表征，探讨了反应时间和反应温度对产物的影响。一纳米二氧化钛简介1.1纳米材料简介纳米材料是近年来科学上的一项重大发现,已经成为当今许多学科研究的热点。通常材料尺寸的减小,不会引起材料性质的变化。近代科学研究发现,当材料尺寸减小达到临界尺寸时,在室温条件下,某些理化性质会发生突变,呈现与原来物体差异甚大的特性,并且这个临界尺寸多数处于100nm之内,因此一般把小于100nm的材料称为纳米材料。从70年代美国康奈尔大学Grangvist和Buhrman利用气相凝集的手段制备纳米颗粒开始至今不过20多年,发现纳米材料具有常规微细粉末材料所不具备的许多特殊效应。1.1.1表面效应即纳米晶粒表面原子数和总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质变化。纳米晶粒的减小,导致其表面热、表面能及表面结合能都迅速增大,致使它表现出很高的活性,平均粒径[02]为如日本帝国化工公司生产的TiO215nm,比表面积高达80～110m2ög。体积效应,当纳米晶粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,使其磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化。如银的熔点约为900℃,而纳米银粉熔点仅为100℃,一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%～50%。1.1.2量子尺寸效应即纳米材料颗粒尺寸小到一定值时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级,吸收光谱阈值向短波方向移动。其结果使纳米材料具有高度光学非线性、特异性催化和光催化性质、强氧化性和还原性。纳米材料还具有宏观量子隧道效应和介电限域效应。纳米材料能在低温下继续保持超顺磁性,对光有强烈的吸收能力[03],能大量吸收紫外线,对红外线亦有强吸收特性,在高温下,仍具有高强、高韧、优良稳定性等,其应用前景十分广阔。纳米技术和纳米材料是当今世界深受重视的高新技术,同时它又是各高新技术的基础。尽管还有不少技术问题有待深入研究,如纳米颗粒尺寸及其分布和形貌控制;团聚体的控制与分散;纳米颗粒的表面特性及表面改性;纳米材料的基础理论等,但它已显示了强大的生命力。欧洲联盟委员会在1995年发表的一份研究报告预测,今后10年内纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业。市场的突破口很可能在信息、微电子、医药、环境等领域。我国有发展纳米材料的丰富原料和广阔市场,纳米材料的应用将前途无量。1.2纳米二氧化钛的特性和应用纳米二氧化钛问世于20世纪80年代后期，根据TiO2粉末的晶体结构，将其分为金红石TiO2、锐钛型TiO2、板钛型和无定型TiO2。纳米TiO2粒径多为10-50nm，由于粒子较细，其吸收紫外线的能力比普通TiO2强得多。同时，纳米TiO2独特的光学性能及其电性能使其在催化剂、抗紫外线吸收剂、气敏传感器件等众多领域具有广泛的应用前景，另外在光电池方面也显示出了巨大的应用潜力。其独特的超亲水性和斥水性也使其在日常生活及国防工业中有独特的应用[04]。用二氧化钛制造的涂料色泽鲜艳，用量省，品种多，且能保护介质的物理稳定性，增强漆膜的机械强度和附着力，防止裂纹和裂缝，使用时还能防止紫外线及水分穿透，延长漆膜的寿命[05]．二氧化钛折射率高，制得的瓷釉透明度强，具有重量轻、抗弯、抗冲击等优越特点[04]．用二氧化钛作配料制得的塑料，不仅可以提高塑料的强度，延长使用寿命，而且用量省，色彩鲜艳[05]．用二氧化钛制得的白色和彩色橡胶制品在阳光照射下，耐曝晒、不裂、不变色、伸展率大，并且有耐酸碱的性能[05]．用二氧化钛作纸张的填料，有较高的白度，光泽好，强度大，薄而光滑性能稳定，印刷穿透能力小[05]．用二氧化钛制成的焊条药皮，可交直流两用，是一种很好的造渣剂，焊接时形成熔渣覆盖在熔池上，不仅能使熔化金属与周围气体隔绝，而且能使焊缝金属结晶处于缓慢冷却的保护中，从而改善焊缝结晶的形成条件[05]．纳米二氧化钛在太阳能电池方面有很重要的应用．目前，开发太阳能电池有两个关键问题，即：提高转换效率和降低成本.目前市场上的太阳能电池大多属于硅太阳能电池，其制造成本过高，不利于广泛应用.而九十年代发展起来的纳米晶二氧化钛太阳能电池具有成本廉价，工艺简单及性能稳定等优点，已成为传统太阳能电池的有力竞争对手.目前，纳米晶二氧化钛太阳能电池光电效率稳定在10%，制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命能达到20年以上[07].纳米二氧化钛在自洁玻璃中的应用.通常情况下，二氧化钛表面与水的接触角约为72°，经紫外光照射后，接触角在5°以下，甚至可达到0°，即：此时水滴可完全浸润表面，显示非常强的超亲水性，停止光照后，