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(xué) 院姓 名學(xué) 號(hào)同組成員目錄前言0一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理0三、器材與試劑1四、實(shí)驗(yàn)步驟1五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析2六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論5七、思考題5參考文獻(xiàn)55前言納米材料因具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)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(dāng)中，二氧化鈦由于具有高活性、安全無(wú)毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定（耐化學(xué)及光腐蝕）及成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具開(kāi)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?yàn)槠淠芷帘巫贤饩€、消色力高、遮蓋力強(qiáng)（透明度高）等優(yōu)異性能而應(yīng)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(jìng)相開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的熱點(diǎn)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?利用水熱法制備銳欽礦型的二氧化鐵微粒,通過(guò)本實(shí)驗(yàn)熟悉水熱合成 (制備)的方法，熟悉水熱法制備無(wú)機(jī)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(duì)結(jié)果的處理、分析和表達(dá)。 二、實(shí)驗(yàn)原理 二氧化鈦，分子式為 TiO2，俗稱(chēng)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(lái)制造二氧化鈦。在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)等諸多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，與人民生活和國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(wú)機(jī)化學(xué)品，許多發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家都把它列入關(guān)鍵化學(xué)品行列。 在某些國(guó)家和地區(qū)，其消費(fèi)量與國(guó)民生產(chǎn)總值成正比，甚至有的經(jīng)濟(jì)學(xué)家把鈦白粉的消費(fèi)或人均占有量，作為衡量一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志之一。 二氧化鐵在單晶時(shí)是透明的。二氧化鐵粉末為白色的，這是因?yàn)槎趸伔勰?duì)可見(jiàn)光的全部波長(zhǎng)都有同等程度的強(qiáng)烈反射，所以在可見(jiàn)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(xué)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(chēng)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(mén)以純度為主要使用目的的二氧化鈦稱(chēng)為二氧化鈦或非顏料級(jí)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(guó)是鐵資源豐富的國(guó)家， 其儲(chǔ)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(qiáng)大的光氧化還原能力，可催化分解附于表面的有機(jī)物和部分無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)鹽可以與無(wú)機(jī)堿或堿性化合物反應(yīng)，生成正鈦酸鹽，正鈦酸鹽水解可得到類(lèi)金紅石型正鈦酸，正鈦酸脫水即可得到二氧化鈦，在反應(yīng)過(guò)程中若能夠控

5、制晶核的生長(zhǎng)就可以得到具有微納米尺寸的二氧化鈦。本實(shí)驗(yàn)鈦的無(wú)機(jī)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(yīng)，得到正鈦酸鈉 Na4TiO4，正鈦酸鈉Na4TiO4水解生成類(lèi)金紅石型正鈦酸H4TiO4或 Ti(OH)4，正鈦酸脫水得到 TiO2，其反應(yīng)的化學(xué)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(yīng)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(fēng)干燥箱 試劑： Ti(SO4)2 ； Na2CO3 (分析純)； 0.50 mol/L 的 HCl （溶液鹽酸為無(wú)鐵級(jí)）；0.5mol/L的NaOH溶液；無(wú)水乙醇；去離子水；無(wú)水乙醇。四、實(shí)驗(yàn)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(guò)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(fēng)干燥箱中， 升溫至 180并恒溫水熱反應(yīng) 4h， 水熱反應(yīng)完成后， 反應(yīng)釜在空氣中自然冷卻至室溫。4、 洗濾對(duì)水解所得的溶液進(jìn)行真空抽濾，并分別用去離子水和無(wú)水乙醇依次洗滌至溶液中無(wú)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(fēng)干燥箱中中干燥得白色粉末狀樣品， 保存待表征。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析利用XRD對(duì)pH=3和5合成的TiO2納米粒子進(jìn)行表征，結(jié)果如下：（1）pH=3（2）pH=5 利用謝樂(lè)公式(D=KBcos)在2=20°-50°三個(gè)峰計(jì)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(gè)特征峰的位置基本不變,衍射強(qiáng)度則隨著酸度的增加而增加,說(shuō)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(dá)到610度時(shí)則開(kāi)始緩慢轉(zhuǎn)化為金紅石，730度時(shí)這種轉(zhuǎn)化已經(jīng)有較高速度，915度時(shí)可完全轉(zhuǎn)化為金紅石型，本實(shí)驗(yàn)采用120進(jìn)行反應(yīng)，可能為充分反應(yīng)，可能導(dǎo)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(xiàn)報(bào)道有出入。上圖為T(mén)iO2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(duì)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(shí)驗(yàn)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(tuán)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(yīng)與常規(guī)反應(yīng)的區(qū)別?隨著對(duì)納米二氧化鈦研究的深入，國(guó)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(shí)驗(yàn)證實(shí)，水熱法具

11、有以下特點(diǎn)：(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(yīng)生成新的化合物。(2)水熱沉淀。某些化合物在通常條件下無(wú)法或很難生成沉淀，而在水熱條件下卻易反應(yīng)生成新的化合物沉淀。(3)水熱合成。可允許在很寬范圍內(nèi)改變參數(shù)，使兩種或兩種以上的化合物起反應(yīng)，合成新的化合物。(4)水熱還原過(guò)程。些金屬鹽類(lèi)氧化物、氫氧化物、碳酸鹽或復(fù)鹽用水調(diào)漿，無(wú)需或只需極少量試劑，控制適當(dāng)溫度和氧分壓等條件，即可制備超細(xì)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(jìn)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(xì)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(guò)量?為了將Ti(SO4)2完全轉(zhuǎn)化成Na4TiO4，使充分反應(yīng)，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(dá)到610度時(shí)則