銳鈦礦型二氧化鈦微粒的水熱法制備

1、銳鈦礦型二氧化鈦微粒的水熱法制備學 院姓 名學 號同組成員目錄前言0一、實驗目的0二、實驗原理0三、器材與試劑1四、實驗步驟1五、實驗結(jié)果分析2六、實驗結(jié)論5七、思考題5參考文獻55前言納米材料因具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應及宏觀量子隧道效應等優(yōu)異性能而受到人們的普遍關(guān)注。在眾多的納米材料當中，二氧化鈦由于具有高活性、安全無毒、化學性質(zhì)穩(wěn)定（耐化學及光腐蝕）及成本低等優(yōu)點，被認為是最具開發(fā)前途的環(huán)保型光催化材料之一。除作為光催化材料外，二氧化鈦還因為其能屏蔽紫外線、消色力高、遮蓋力強（透明度高）等優(yōu)異性能而應用于化妝品、紡織、涂料、橡膠和印刷等行業(yè)。因此，納米二氧化鈦材料成為不同生產(chǎn)

2、商競相開發(fā)和生產(chǎn)的熱點。一、實驗目的 利用水熱法制備銳欽礦型的二氧化鐵微粒,通過本實驗熟悉水熱合成 (制備)的方法，熟悉水熱法制備無機非金屬氧化物微納米材料的. 般步驟及其原理；了解微納米材料的一般表征方法，以及對結(jié)果的處理、分析和表達。 二、實驗原理 二氧化鈦，分子式為 TiO2，俗稱鈦白粉。它一種是種重要的化工原料，也是最重要的白色顏料，占全部白色顏料使用量的 80%，它也是鈦系的最主要產(chǎn)品，世界上鈦資源的 90%都用來制造二氧化鈦。在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術(shù)等諸多領(lǐng)域中得到廣泛的應用，與人民生活和國民經(jīng)濟有著密切的聯(lián)系。目前全球二氧化鈦的年產(chǎn)值約 70 億美元，是僅次于合成氨和磷酸

3、的第三大無機化學品，許多發(fā)達的工業(yè)國家都把它列入關(guān)鍵化學品行列。 在某些國家和地區(qū)，其消費量與國民生產(chǎn)總值成正比，甚至有的經(jīng)濟學家把鈦白粉的消費或人均占有量，作為衡量一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重要標志之一。 二氧化鐵在單晶時是透明的。二氧化鐵粉末為白色的，這是因為二氧化鈦粉末對可見光的全部波長都有同等程度的強烈反射，所以在可見光的照射下呈現(xiàn)白色。二氧化鈦在已知所有白色顏料中折射率最高，因而具有極高的不透明度、優(yōu)良的光學性能和顏料性質(zhì)。通常人們把在涂料、油墨、塑料、橡膠、造紙、化纖、美術(shù)顏料和日用化妝品等行業(yè)中以白色顏料為主要使用目的的二氧化欽稱為鈦白粉、一氧化鈦顏料或鈦白， 而把在搪瓷

4、、 電焊條、陶瓷、電子、冶金等工業(yè)部門以純度為主要使用目的的二氧化鈦稱為二氧化鈦或非顏料級鈦白粉、非涂料用鈦白粉。二氧化鈦在自然界中有金紅石型、 銳鈦礦型和板鈦礦型三種晶型結(jié)構(gòu)。這三種同分異構(gòu)體人工都能制造， 工業(yè)上主要使用的是前兩種晶型。我國是鐵資源豐富的國家， 其儲藏量位居世界之首。微納米氧化鈦在紫外線作用下，能產(chǎn)生強大的光氧化還原能力，可催化分解附于表面的有機物和部分無機物， 可使材料表面產(chǎn)生殺菌， 自清潔及超親水功能。金屬鈦為兩性化合物。一定條件下，鈦的無機鹽可以與無機堿或堿性化合物反應，生成正鈦酸鹽，正鈦酸鹽水解可得到類金紅石型正鈦酸，正鈦酸脫水即可得到二氧化鈦，在反應過程中若能夠控

5、制晶核的生長就可以得到具有微納米尺寸的二氧化鈦。本實驗鈦的無機鹽選用硫酸鈦 Ti(SO4)2，堿性化合物為碳酸鈉 Na2CO3. Na2CO3 與 Ti(SO4)2 在水溶液中反應，得到正鈦酸鈉 Na4TiO4，正鈦酸鈉Na4TiO4水解生成類金紅石型正鈦酸H4TiO4或 Ti(OH)4，正鈦酸脫水得到 TiO2，其反應的化學方程式如下： Ti(SO4)2 + 4Na2CO3 Na4TiO4 + 4CO2 + 2Na2SO4 Na4TiO4 + 4H2O H4TiO4 + 4NaOH H4TiO4 TiO2 + 2H2O三、器材與試劑器材： 分析天平、 磁力攪拌器、 聚四氟乙烯高壓反應釜 (5

6、0 mL)、 循環(huán)水式多用真空泵、 布氏漏斗、 抽濾瓶.、 濾紙、 電熱鼓風干燥箱 試劑： Ti(SO4)2 ； Na2CO3 (分析純)； 0.50 mol/L 的 HCl （溶液鹽酸為無鐵級）；0.5mol/L的NaOH溶液；無水乙醇；去離子水；無水乙醇。四、實驗步驟1、 溶液的配制0.50 mol . L-l HCl 溶液和 0.50 mol . L-l HCl 溶液： 配制過程從略.；1.00 mol . L-l HCl 的 Ti(SO4)2 溶液: 將 12.0 Ti(SO4)2 加入 50.0 rnL去離子水中溶解；1.00 mol . L-l 的 Na2CO3 溶液： 將 21.

7、2gNa2CO3 加入 200.0mL 去離子水中溶解。2、 鈦酸鈉前驅(qū)體的制備在磁力攪拌下， 將 150.0 mL Na2CO3 溶液滴加到 36.0 mL Ti(SO4)2 溶液中，用 0.50 mol . L-l HCl分別調(diào)節(jié)至PH=3和5，得到鈦酸鈉前驅(qū)體。3、 前驅(qū)體水解取 40.0 mI 鈦酸鈉前驅(qū)體水溶液放入 50ml 襯有聚四氟乙烯的高壓釜內(nèi)，填充度為 80%。旋緊釜蓋，放入電熱鼓風干燥箱中， 升溫至 180并恒溫水熱反應 4h， 水熱反應完成后， 反應釜在空氣中自然冷卻至室溫。4、 洗濾對水解所得的溶液進行真空抽濾，并分別用去離子水和無水乙醇依次洗滌至溶液中無硫酸根及氯離子

8、為止 (三次)。 將抽濾后所得濾餅在 80-90下，電熱鼓風干燥箱中中干燥得白色粉末狀樣品， 保存待表征。五、實驗結(jié)果分析利用XRD對pH=3和5合成的TiO2納米粒子進行表征，結(jié)果如下：（1）pH=3（2）pH=5 利用謝樂公式(D=KBcos)在2=20°-50°三個峰計算，代入K=0.89，=0.154056 nm，得到不同晶面的晶體粒徑如下2(rad)FWHMD(nm)pH=30.441.350.110.670.820.210.841.840.11pH=50.442.180.070.671.760.100.842.210.09從TiO2納米粒子的XRD圖可看出,不同

9、pH值條件下合成的TiO2納米粒子的晶型均為銳鈦礦(為25.3, 34.56, 37.83和52.38為銳鈦礦的特征峰)(1)，不同pH值下的樣品中的銳鈦礦的幾個特征峰的位置基本不變,衍射強度則隨著酸度的增加而增加,說明所合成的納米粒子晶型隨著酸度的增加而逐漸趨于完整。銳鈦礦型TiO2僅在低溫下穩(wěn)定，在溫度達到610度時則開始緩慢轉(zhuǎn)化為金紅石，730度時這種轉(zhuǎn)化已經(jīng)有較高速度，915度時可完全轉(zhuǎn)化為金紅石型，本實驗采用120進行反應，可能為充分反應，可能導致制備得到的TiO2納米粒子晶體結(jié)構(gòu)不完整，所以和文獻報道有出入。上圖為TiO2納米粒子的SEM圖,合成的TiO2納米粒子經(jīng)環(huán)境掃描電鏡觀察

10、,納米顆粒都比較均勻，不同pH值對由H2TiO3合成的TiO2粒子的平均粒徑有影響,增加酸度,可以提高TiO2納米粒子的平均粒徑,這是由于提高酸度有利于提高體系中Ti4+離子的濃度,從而加快TiO2納米粒子的結(jié)晶速度,提高了合成TiO2納米粒子的平均粒徑。六、實驗結(jié)論（1）由正鈦酸鈉作前驅(qū)體水熱合成TiO2納米粒子的晶型為銳鈦礦型,且顆粒間團聚少。（2）增加體系的酸度有利于獲得較大粒徑的TiO2納米粒子。七、思考題1.水熱反應與常規(guī)反應的區(qū)別?隨著對納米二氧化鈦研究的深入，國內(nèi)外的科研人員嘗試了多種制備納米二氧化鈦的方法，根據(jù)物料體系的狀態(tài)分為固相法、氣相法和液相法。經(jīng)研究和實驗證實，水熱法具

11、有以下特點：(1)水熱氧化。利用高溫高壓水、水溶液等溶劑與金屬或合金可直接反應生成新的化合物。(2)水熱沉淀。某些化合物在通常條件下無法或很難生成沉淀，而在水熱條件下卻易反應生成新的化合物沉淀。(3)水熱合成?？稍试S在很寬范圍內(nèi)改變參數(shù)，使兩種或兩種以上的化合物起反應，合成新的化合物。(4)水熱還原過程。些金屬鹽類氧化物、氫氧化物、碳酸鹽或復鹽用水調(diào)漿，無需或只需極少量試劑，控制適當溫度和氧分壓等條件，即可制備超細金屬微粉。(5)水熱分解。某些化合物在水熱條件下分解成新的化合物，進行分離而得單一化合物微粉。(6)水熱結(jié)晶?？墒剐┓蔷Щ衔锩撍Y(jié)晶，例如含水鈰化物轉(zhuǎn)變成晶體CeO2粉末；含水鋯氧化物控制不同條件可獲斜方 ZrO2或四方 ZrO2超細粉，水合二氧化鈦脫水成銳鈦或金紅石型粉體。(2)2.為什么堿一般要過量?為了將Ti(SO4)2完全轉(zhuǎn)化成Na4TiO4，使充分反應，得到結(jié)晶良好的TiO2納米粒子。3.為什么得到的產(chǎn)物一般為銳鈦礦型二氧化鈦?銳鈦礦型TiO2僅在低溫下穩(wěn)定，在溫度達到610度時則