TiCl4低温水解制备纯锐钛矿型纳米二氧化钛的研究.pdf

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1、江苏省颗粒学会2010年学术年会暨江苏省应用化学、生物颗粒学及粉体领域学术研讨会TiCl4低温水解制备纯锐钛矿型纳米二氧化钛的研究李超1，姚超1，左士祥1，徐斌海2，成庆堂2(1．常州大学，常州213164；2．江苏河海纳米科技股份有限公司，泰兴225400)摘要：本文以四氯化钛为原料，硫酸作为添加剂，直接水解制备锐钛矿型纳米Ti02粉体，研究了四氯化钛浓度，硫酸用量，反应时间和反应温度对纳米Ti02物相的影响。并利用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对所制得的样品进行了表征。结果表明，四氯化钛浓度和硫酸用量对物相有显著影响，随着四氯化钛

2、浓度降低和硫酸用量的增加二氧化钛逐渐从金红石相向锐钛矿相转变。在c(TiCh)=2．Omol·L．1，c(S042")=0．05mol·L以时所制得的纳米n02为颗粒状锐钛矿型结构，粒径为8～15rim。关键词：纳米二氧化钛锐钛矿制备1引言纳米二氧化钛作为一种新型无机功能材料，因其具有价廉、无毒、高稳定性、可循环再生，以及高表面效应、体积效应、量子尺寸效应等优点，已在化涂料、化妆品、太阳能电池、造纸等领域得到了广泛应用【1一钉。二氧化钛有3中晶型：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型，其中锐钛矿型纳米'ri02具有很好的光催化活性，能有效降解工业废水中的有机

3、物，因此制备高纯度单一锐钛矿型纳米"ri02具有现实意义。．纳米二氧化钛的合成主要有固相法、气相法和液相法等[51。其中液相法分为：共沉淀法、溶胶．凝胶法、水热合成法、微乳液法和加热水解法。本文主要以四氯化钛为原料，硫酸作为添加剂，采用沸腾回流直接水解法制备了锐钛矿型纳米'ri02粉体。此工艺操作简单、原料易得、设备要求不高，适合工业化规模生产。2实验部分2．1原料和仪器四氯化钛，cP，上海金山兴塔化工厂；硫酸，AR，国药集团化学试剂有限公司。日本Rigaku公司D／Max2500PC型X射线衍射仪(X-raydiffractometer，XRD，C

4、u靶，九=O．154056nm，扫描速率为60／min，扫描范围50"-800)；日本JEOL公司的JEM-2010透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscope，TEM)；电热器，DW2型，通州市张芝山文明五金电热器厂。2。2实验方法2．2．1实验步骤在25℃下，将2．50mol·Lo四氯化钛溶液加入四颈烧瓶，依次加入去离子水74江苏省颗粒学会2010年学术年会暨江苏省应用化学、生物颗粒学及粉体领域学术研讨会和1．0mol·L．1硫酸溶液，加热晶化0．5～6h。所得溶胶用1．5mol·L-1氢氧化钠溶液中和至pH=7，

5、去离子水洗涤至滤液中无Cl’后，在120"C下鼓风干燥10小时，粉碎后即得产品。2．2．2物相组成和晶粒尺寸的计算物相组成根据下式计算：WR=——三一“l+o．8(I∥R)WA--I·WR其中：WR为金红石相所占的质量分数：WA为锐钛矿相所占的质量分数；IA为锐钛矿相101面的峰强度；IR为金红石相110面的峰强度。晶粒尺寸有Scherrer公式计算，即：D=K·九／(13‘cosO)其中：D为金红石相110面的晶粒尺寸或锐钛矿相101面的晶粒尺寸；K=0．89九为X射线的波长，k=0．154056nm；13为衍射峰的半高宽；0为掠射角。3结果与讨论

6、3．1四氯化钛浓度对晶型的影响如图l所示，在c(SO：’)--0．05mol·L．1、100℃反应2h的条件下，考察了四氯化钛浓度分别为2，1．5，1．0，0．5mol·L以对合成纳米Ti02晶型的影响。由图l可见，当c(TiC协．2．0mol·L‘1时，产物为金红石相；当c(TiCh)=1．5mol·L-1时产物中开始出现锐钛矿相，此时产物为金红石和锐钛矿的混晶型，其中锐钛矿相含量为20％：随着四氯化钛浓度的降低，金红石相的特征衍射峰逐渐减弱，在c(TiCh)=1．0mol·L。1时，产物为纯锐钛矿型纳米Ti02。这是由于时浓度对物相晶型的变化影响

7、很大【q，金红石和锐钛矿的结构单元都是m06】八面体，但是它们的连接方式不同：金红石主要以顶角相连接，锐钛矿主要以棱相连接，根据配位多面体生长基元理论，矿浓度可以决定生长基元的结构口一。在酸性条件反应升温过程中会形成4种不同结构的生长基元：n[TiO(OH)l(H20)4】+、n[Ti(OH)I(H20)5】3+、n[TiO(OH)2(H20)4]、[TI(OH)2(H20)4]2+，其中前2种有利于形成金红石相Ti02，后2种则有利于形成锐钛矿相Ti02。随着反应物浓度的降低，体系中酸度减小，使生长基元向n[TiO(OH)2(H20h]和[Ti(O

8、H)2(H20)4]2+结构的成长，从而有利于形成锐钛矿晶核，所以当四氯化钛浓度降低时，产物为锐钛江苏省颗粒