第21卷第1期合肥工业大学学报(自然科学版)Vol.21№1 1998年2月JOU RN AL O F HEFEI UNIV ERSITY OF T EC HNOLO GY Feb.1998二步法云母微晶片的纳米二氧化钛包覆研究
丁 明 董 强 范广能 皇甫立霞
(合 肥 联 合 大 学)
摘要 提出了二步法云母微晶片的纳米二氧化钛包覆技术,使二氧化钛的成核与生长过程分开进行。所得产物包膜均匀、致密,颗粒达纳米级。对包覆技术条件进行了研究,反应体系的最佳条件为p H值
取2.0～ 2.5,二步钛盐加料比V1/V2≥0.11,第一步钛盐加料速度低于0.3ml/min,第二步钛盐加料速度
低于0.6ml/min。
关键词 云母钛;二步法合成;纳米二氧化钛
中图分类号 TQ134.11P578.959⒇
0 引 言
在云母微晶片上包覆纳米级二氧化钛均匀颗粒膜,可制成高附加值的具有随角闪光异色效应的功能材料——云母钛珠光颜料。由于其具有无毒、耐热,化学性能稳定和华美的珠光装饰效果,可广泛用于高级轿车面漆、化妆品、橡塑制品、造纸、油墨、建筑及装璜材料等诸多领域[1]。云母钛珠光颜料的制备关键是控制制备条件,在云母微晶基片上形成均匀的TiO2纳米级颗粒膜,利用TiO2纳米颗粒膜和基质云母的折光系数差异而产生折射、反射等光学效果[2]。目前,云母表面的纳米二氧化钛包覆,可采用CV D、PV D、、离子溅射等方法,这些方法皆成本高,不易工业化生产,而液相法包覆,不仅工艺简单易于控制且成本低[1]。本文首次提出自生晶核的二步法液相包覆工艺,在云母微晶片上均匀包覆纳米级二氧化钛颗粒膜,对包覆最佳条件及产物特性进行了研究。
1 实验部分
1.1 主要药品
TiCl4(A R级,上海金山化工厂),用浓盐酸按常法配成1.5M,用时现配;HCl,10%;
⒇收稿日期:1997-08-20
安徽省“九五”攻关资助项目(96120223)
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NaO H15%等皆为A R级,用蒸馏水按常法配置。云母微晶片,325目,纵横比大于60(用前需进行预处理[3])。
1.2 仪器设备
恒温水浴(国华,±1℃),德国W TW型pH计(配用522型复合电极)。D/Max—γA转靶X射线扫描仪。岛津UV—260紫外可见分光光度仪(配用积分球装置)。日本X-650型扫描电镜。
1.3 实验方法
取15g云母粉置于500ml四口烧瓶中,加200m l蒸馏水,用HCl调p H为一定值,将烧瓶置于70℃恒温水浴中,搅拌,在pH计的监控下,调整滴加速度滴加一定量1.5M TiCl4溶液,同时用NaOH调节pH值,维持反应p H值恒定,经一定时间滴加完后,继续搅拌反应0.5h,自然冷却。过滤洗涤后在110℃条件下干燥1h,然后在马弗炉内850℃焙烧1h即为产物。
2 二步法云母微晶片纳米二氧化钛包覆机理
在云母微晶片的表面TiO2沉积包覆过程中,钛盐的水解是最重要的控制因素,能否包覆上及包覆膜的质量好坏主要取决于钛盐的水解沉积化学过程。在云母钛的制备过程中极易造成白浊现象及岛状包膜的出现。白浊现象和岛状包膜的产生原因主要是由于氧化钛的成核和生长两个阶段的速率过程不协调所致。
水相云母微晶片的钛盐水解沉积为典型的固液非均相反应,其生长模型为:首先是云母表面的钾(钠)离子在酸性条件下电离,使云母表面带负电,同时钛离子在云母表面进行内配位型吸附[4],在云母表面形成了“双电层结构”并进一步促进了Ti4+的吸附和水解沉积。当体系初始钛盐存在浓度较低时,基片云母由界面电化学行为控制,不断沉积二氧化钛形成云母基片上的二氧化钛二维层状成核及生长,生成膜均匀致密,颗粒度大小均匀且呈纳米颗粒状覆膜。在体系初始钛盐浓度较高的情况下,由于二氧化钛晶核之间的凝聚作用加剧,在云母基片上一开始就形成了岛状沉积,甚至于使钛盐在水相中游离成核生长而造成白浊现象。岛状沉积的后果可加剧杂质离子的包裹和掺杂而影响最终产物的膜质物相及色相。
由此,我们提出了二步法钛盐水解沉积包膜工艺过程。第一步首先在反应体系中缓慢加入少量钛盐,使体系的钛盐浓度临界于成核浓度,形成二维层状成核,完成包膜的自生晶核过程。第二步即在云母基片已有均匀晶核的基础上,延续原反应体系,快速加入钛盐,使体系钛盐浓度保持在晶核生长浓度区进行包膜的颗粒生长过程。二步法使颗粒的成核与生长两阶段分开进行,形成二维层状膜生长过程,使产品包覆膜质量大大提高。
3 实验结果与讨论
3.1 pH值对二步法云母微晶片纳米二氧化钛包膜的影响
表1为pH值对云母微晶片纳米二氧化钛包覆过程的影响实验结果。(取1.5M TiCl4
40ml,第一步加6ml,第二步加34ml,TiO 2/云母为32%(W /W ))。
表1 p H 值对云母微晶片纳米二氧化钛包覆过程的影响
实验序号p H 反应现象产物特征
XRD 二氧化钛粒度/n m
P —1 1.0出现白浊白色胶体,过滤困难,无珠光P —2 1.5微量白浊白色胶体,过滤困难,无珠光P —3 2.0无白浊银白,易过滤,珠光效果优良78P —4 2.5无白浊银白,易过滤,珠光效果优良83
P
—5 3.0
出现白浊
白色胶体,过滤困难,无珠光
实验结果表明,p H 值对云母微晶片纳米二氧化钛包覆过程的影响极其明显。在较低
pH 值情况下(pH <2.0),钛盐的水解速率较低,体系大量的H +对云母微晶片起溶浸作
用,微晶片表面的Si —O -悬挂键被H +
所饱和,抑制了Ti 4+在云母基片上的内配位型吸附作用,使水解生成的偏钛酸晶核游离于溶液中而未沉积于云母基片上,随反应时间的延
长,反应体系呈现胶体状白浊。另外,当pH 值低时水解速度缓慢,为使包覆完全,反应时间需延长。在pH 值较高情况下(p H > 2.5),则钛盐水解速度过快,大量钛盐水解来不及沉积于云母基片上而游离于溶液中,最终也造成白浊现象。 最佳的水解pH 值应控制在2.0～ 2.5之间。由X RD 颗粒粒径测定看,在p H2.0～ 2.5之间,经二步法工艺包膜沉积的二氧化钛颗粒皆在纳米级。
3.2 二步钛盐加量比对包膜质量的影响
由晶体的成核生长理论可知,二步钛盐加量比直接影响包膜TiO 2粒子的成核及生长过程。二步钛盐加量比对包膜质量的影响实验结果如表2。(加1.5M TiCl 440ml ,p H 值恒定2.2,TiO 2/云母为32%(W /W ),第一步加料速度0.25m l /min, 第二步加料速度为0.6ml /min )。
表2 二步钛盐加量比对包膜质量的影响
实验序号第一步钛盐加入量V 1/ml
第二步钛盐加入量V 2/ml
V 1/V 2产物特性X RD 粒径/nm
C —12380.053珠光弱,微黄94C —24360.111珠光强,白81C —36340.176珠光强,白84C —48320.250珠光强,白67C —5
10
30
0.333
珠光强,白
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由实验结果看,当第一步的钛盐加入量小于2m l,即V 1/V 2≤0.053时,产物的珠光性
能较差且呈微黄色,主要是由于第一步的纳米成核及沉积不充足,不均匀,后续的第二步二氧化钛快速生长,形成了岛状膜结构,造成沉积的二氧化钛附着力不强,易于游离。而当V 1/V 2≥0.111时使水解沉积的成核生长分离为两个过程,实现了二维层生长,产物珠光
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第1期 丁 明等:二步法云母微晶片的纳米二氧化钛包覆研究
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优良。图1为C—3、C—4样品的X RD谱图,其膜层二氧化钛呈纳米级。图2的C—3SEM 照片显示了均一的纳米颗粒形貌。
图1 云母原料及样品的XRD谱图 图2 C—3样品的S EM照片
a.云母原料
b.C-3
c.C-4
3.3钛盐加料速度对包膜的影响
考察了第一、二步的钛盐加料速度对包覆膜质量的影响,结果见表3(加1.5M TiCl4, 40ml,pH2.2,第一步加料6ml,第二步加料34m l)。
表3 钛盐加料速度对包膜的影响
实验序号第一步加料时间/min第二步加料时间/min反应特性
S—11060白浊,过滤困难
S—22560珠光效果强
S—34060珠光效果强
S—42540白浊,过滤困难
S—52580珠光效果强
由此可见,S—1号样品前后两步加料速度几乎相等,且第一步的加料速度过快,造成白浊现象。而S—4号出现白浊则是由于第二步速度过快,水解析出的二氧化钛未沉积于云母基片上引起的。第一步的最佳加料速度应控制在小于0.3m l/min,第二步最佳加料速度也不能过快,应控制在小于0.6ml/min。图3是S—3号样品和云母微晶片粉末原料的可见光反射光谱。由图3可见,产物的可见光反射强烈,珠光效果优良,进一步说明二步法工
艺的产物成膜致密均匀。
4 结 论
(1)提出了二步法云母微晶片纳米二氧化钛包膜的制备技术。第一步为缓慢地加入钛盐,形成云母表面二维晶核均匀分布,而阻断晶核生长。第二步在同一反应器内继续快速加入钛盐实现云母表面的二维膜生长。
(2)工艺过程应控制体系p H 值维持在2.0～ 2.5范围。(3)二步钛盐加料比应保持在V 1/V 2≥0.11。
(4)第一步钛盐加料速度应低于0.3ml /min, 第二步钛盐加料速度也应小于0.6 m l /min
。
(a)S —3号样品 (b)和云母微粉原料图图3 云母原料和样品的可见光反射光谱
参考文献
1 丁 明,刘志勇,胡大垒等.云母钛珠光颜料的发展现状.安徽化工,1994(4):6
2 李金声,谭俊茹,张金玲等.云母钛复合材料的制备与光学性能的研究.硅酸盐学报,1995,23(1):793 丁 明.云母微晶片的选择及酸洗预处理对云母钛质量的影响.非金属矿,1996(6):254 汤鸿霄.颗粒物与表面络合.环境科学进展,1993,1(1):25
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第1期 丁 明等:二步法云母微晶片的纳米二氧化钛包覆研究
S TU DY O N CO A T IN G N AN O M ET ER TiO2ON
M ICA M ICRO FLA K E BY TWO ST EP M ET HO D
Ding Ming Dong Qiang Fan Guangneng Huangpu Lix ia
(Hefei Union Univ ersity)
Abstract This paper giv es a tw o step tech nolog y o f coating nanometer TiO2on mi-ca microflake.The nuclea tion process and g row th process of nanometer TiO2are sepa-ra ted in reactio n system.The product′s coating ev en film is thick a nd its pa rticle is of nano meter.The co nditio ns of co ating techno log y are also studied in this paper.The o pti-m um conditio ns for reactio n system are p H2.0～ 2.5,V1/V2≥0.11and first step speed o f titana te feed low er than0.3m l/min,seco nd step speed o f titana te feed also low er than0.6ml/min.
Key words TiO2-mica,tw o step sy nthetic metho d,nano meter TiO
2
姓名 丁 明 出生于 1963 年 5 月 学位 硕士
职称 副教授
主要研究方向 无机材料合成化学及环境水化学
主要成果及获奖情况 主持项目“铁氧体工艺处理含重金属
污水沉渣的理论及应用研究”,1994年获安徽省教委科技进步
三等奖,参加“废分子筛、废铝氧的综合利用”项目,1994年获
安徽省科技进步三等奖。
联系地址 合肥联合大学化工系 邮编 230022
(本文责任编辑张淑艳) 80 合肥工业大学学报(自然科学版) 1998年第21卷(1)
材料学《第二课堂》课程论文题目：TiO2半导体纳米材料姓名： 学号：
目录 1. 课程设计的目的 (1) 2. 课程设计题目描述和要求 (1) 3. 课程设计报告内容 (1) 3.1 TiO2半导体纳米材料的特性 (1) 3.2 TiO2半导体纳米材料的制备方法 (3) 3.3 TiO2半导体纳米材料的表征手段 (3) 3.4 TiO2半导体纳米材料的发展现状与趋势 (4) 4. 结论 (5)
1.课程设计的目的 本课程论文的主要目的是论述TiO2半导体纳米材料，通过简要概述TiO2半导体纳米材料的特性、制备方法、表征手段及发展现状与趋势等相关方面的内容。通过这次课设，了解TiO2半导体纳米材料，巩固课堂上所学的有关纳米材料的有关知识，提高自己应用所学知识和技能解决实际问题的能力。 2．课程设计的题目描述及要求 课程设计的题目：TiO2半导体纳米材料 TiO2半导体纳米材料由于它具有不同于体材料的光学非线性和发光性质,在未来光开关、光存储、光快速转换和超高速处理等方面具有巨大的应用前景。本文就TiO2半导体纳米材料的主要制备方法与表征手段做一全面总结。 3.课程设计报告内容 3．1 TiO2半导体纳米材料的特性 1、光学特性 TiO2半导体纳米粒子(1～ 100 nm ) [2]由于存在着显著的量子尺寸效应, 因此它们的光物理和光化学性质迅速成为目前最活跃的研究领域之一, 其中TiO2半导体纳米粒子所具有的超快速的光学非线性响应及(室温) 光致发光等特性倍受世人瞩目。通常当半导体粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时, 随着粒子尺寸的减小, 半导体粒子的有效带隙增加, 其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移, 从而在能带中形成一系列分立的能级[1]。 2、光电催化特性 1）TiO2半导体纳米粒子优异的光电催化活性 近年来, 对纳米TiO2半导体粒子研究表明: 纳米粒子的光催化活性均明显优于相应的体相材料。我们认为这主要由以下原因所致: ①TiO2半导体纳米粒子所具有的量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立的能级, 能隙变宽, 导带电位变得更负, 而价带电位变得更正。[1]这意味着TiO2半导体纳米粒子获得了更强的还原及氧化能力, 从而催化活性随尺寸量子化程度的提高而提高[5]。 ②对于TiO2半导体纳米粒子而言, 其粒径通常小于空间电荷层的厚度, 在离开粒子中心L距离处的势垒高度可以表述为[1]: 公式（1） 这里LD是半导体的Debye 长度, 在此情况下, 空间电荷层的任何影响都可忽略, 光生载流子可通过简单的扩散从粒子内部迁移到粒子表面而与电子给体或受体发生还原或氧化反应。计算表明: 在粒径为1Lm 的T iO 2 粒子中, 电子从体内扩散到表面的时间约为100n s, 而在粒径为10 nm 的微粒中只有10 p s。因此粒
1、（锐钛型二氧化钛与金红石型二氧化钛）的区分 1.1 方法 利用X射线衍射仪得到XRD图谱进行分析 1.2用到的仪器 X射线衍射仪 X射线产生原理： 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高 1.2.1 X射线管的结构 阴极：又称灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出热辐射电子。 阳极：又称靶，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag, W等)，使电子突然减速并发射X射线。阳极需要水强制冷却。 窗口：是X射线射出的通道，维持管内高真空，对X射线吸收 较少，如金属铍、含铍玻璃、薄云母片 X射线管中心焦点
在X射线衍射中，总希望有较小的焦点（提高分辨率）和较强的X射线强度（缩短爆光时间）。 一般采用在与靶面成一定角度的位置接受X射线，这样可以达到焦点缩小，X射线相应增强的目的。 1.2.2 X射线特点
1.2.3理论基础：布拉格方程 1.2.4具体方法 用X射线衍射分析法中的粉末法来分析两种结构。 只有满足Bragg方程，才能产生衍射现象，因此用粉末法对测定的晶体样品，不改变λ,要连续改变θ。： ?用单色的X射线照射多晶体试样，利用晶体的不同取向来改变θ,以满足 Bragg方程。试样要求：粉末，块状晶体。 ?特点：试样容易获得，衍射花样反映晶体的全面信息。
粉末法：由于多晶体由无数取向无规的单晶组成，相当于单晶绕所有取向的轴转动，晶体内某等同晶面族{HKL}的倒易点，形成－相应倒易矢量ｇＨＫＬ为半径的倒易球。一系列的倒易球与反射球相交，其交集是一系列园，则相应的衍射线束分布于以样品为中心、入射方向为轴、上述交线园为底的园锥面上。 1.2.5 两者结构分析 晶胞结构的不同 金红石型二氧化钛及锐钛型二氧化钛结晶类型均为正方结晶，前者为R型，后者为A型。金红石型二氧化钛晶格结构致密，比较稳定，光化学活性小，因而耐久性由于锐钛型二氧化钛。另外，金红石型二氧化钛晶体结构是细长的成对的孪生晶体，每个金红石晶胞含有2个二氧化钛分子，以两个棱相连，这比锐钛型二氧化钛八面体的形式体积更小、结构更密，因而硬度和密度增大，介电常数和导热性增加，所以耐候性好，不易粉化 (a)金红石型 (b)锐钛型 金红石型和锐钛型晶胞中TiO2分子数分别是2和4。晶胞参数分别是：金红石型a：4．593A，c=2．959A；锐钛型a=3．784A，c=9．515^。金红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，其遮
编辑本段
编辑本段应用特性 纳米TiO2的功能及用途 纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中。 2.1.杀菌功能 在紫外线作用下，以0.1mg/cm3浓度的超细TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准。在涂料中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，可应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可有效杀死大肠杆菌、黄色葡萄糖菌等有害细菌，防止感染。因此，纳米TiO2能净化空气，具有除臭功能。 1）纳米二氧化钛抗菌特点： 1 对人体安全无毒，对皮肤无刺激性。 2 抗菌能力强，抗菌范围广。 3 无臭味、怪味，气味小。 4耐水洗，储存期长。 5热稳定性好，高温下不变色，不分解，不挥发，不变质。
6即时性好，纳米二氧化钛抗菌剂仅需1h就能发挥效果，而其他银系抗菌剂效果则需约24h。 7纳米二氧化钛是一种永久性维持抗菌效果的抗菌剂。 8具有很好的安全性，科用于食品添加剂等，与皮肤接触无不良影响。 2）纳米二氧化钛的抗菌原理： 纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米二氧化钛的电子结构特点为一个满 TiO2的价带和一个空的导带 ,在水和空气的体系中 , 纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下 ,当电 子能量达到或超过其带隙能时 ,电子就可从价带激发到导带 ,同时在价带产生相应的空穴 ,即生成电子、空穴对 ,在电场的作用下 ,电子与空穴发生分离 ,迁移到粒子表面的不同位置 ,发生一系列反应 : TiO2 + hν e —— + h H2O + h——·OH+ H O2 +e——O2 · O2 ·+ H——HO2· 2HO2· —— O2 + H2O2 H2O2 +O2 · ——·OH+OH +O2 吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘获电子形成O2 ·, 生成的超氧化物阴离子自由基与多数有机物反应(氧化) ,同时能与细菌内的有机物反应 ,生成CO2和 H2O;而空穴则将吸附在 TiO2 表面的 OH 和H2O氧化成·OH,·OH 有很强的氧化能力 ,攻击有机物的不饱和键或抽取 H原子产生新自由基 ,激发链式反应 ,最终致使细菌分解。 TiO2 的杀菌作用在于它的量子尺寸效应 ,虽然钛白粉(普通 TiO2)也有光催化作用 ,也能够产生电子、空穴对 ,但其到达材料表面的时间在微秒级以上 ,极易发生复合 ,很难发挥抗菌效果，而达到纳米级分散程度的TiO2 ,受光激发的电子、空穴从体内迁移到表面 ,只需纳秒、皮秒、甚至飞秒的时间 ,光生电子与空穴的复合则在纳秒量级 ,能很快迁移到表面 ,攻击细菌有机体 ,起到相应的抗菌作用。 惠尔牌纳米二氧化钛具有很高的表面活性，抗菌能力强，产品易于分散。经试验表明，惠尔牌纳米二氧化钛对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和曲霉菌等具有很强的杀菌能力，已广泛应用于纺织、陶瓷、橡胶、医药等领域的抗菌产品，深受广大用户的欢迎。 3）国内外对纳米二氧化钛抗菌性的研究及应用实例 1 农田抗菌剂：日本开发了一种新型无菌杀菌剂。其主要成分为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和银、铜等离子，可用于土壤中，对所有的细菌都有很强的抗菌性。改杀菌剂是陶瓷类微量混合金属离子，并在含有相同离子的催化剂作用下，具有使土壤中的氧活化之功能，该功能能持续时间长达2-5年。
纳米二氧化钛的性质及应用进展 牙膏工业2006年第3期 纳米二氧化钛的性质及应用进展 李志军王红英 (深圳职业技术学院工业中心518055) 摘要:纳米二氧化钛微粒具有大的比表面积,其表面原子数,表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,由于其尺寸的 细微化,表现出独特的物理和化学特性,导致纳米二氧化钛微粒的热,光,敏感特性和表面稳定性等方面不同于常规粒子,这 就使其在环境,信息,材料,能源,医疗与卫生等领域有着广阔的应用前景.综述了纳米二氧化钛的性质,并介绍了近年来纳 米二氧化钛的应用研究发展动态. 关键词:纳米粉体二氧化钛性质应用 纳米微粒是指颗粒尺寸在I—lOOnm的超细微 粒.由于纳米微粒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.纳米二氧化钛因其 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成为国内外科技界研究的热 点….本文将介绍纳米二氧化钛的一些基本性质 及其主要的应用研究进展. 1纳米TiO的基本结构 二氧化钛是金属钛的一种氧化物,其分子式是 TiO.根据其晶型,可分为板钛矿型,锐钛矿型和金
红石型三种.其中锐钛矿型TiO属于四方晶系,其晶格参数仅0=37.85nm,C0=95.14nm.图1为 两种晶型单元结构图.锐钛矿型TiO的单元结 构中钛原子处于钛氧八面体的中心,其周围的6个氧原子都位于八面体的棱角处,有4个共棱边,也就是说,锐钛矿型的单一晶格有4个TiO分子.锐 钛型TiO的八面体呈明显的斜方晶型畸变,Ti—O 键距离均很小且不等长,分别为I.937×10.m和1.964×10.11'1,这种不平衡使TiO分子极性很强, 强极性使TiO表面易吸附水分子,使水分子极化而形成表面羟基. 这种表面羟基的特殊结合使其表面改性成为可 ●Ti oO 金红石型 (a)(b) 图1TiO2的两种晶型单元结构图[.】 能,它可作为广义碱与改性剂结合,从而完成对TiO2的表面改性. 2纳米TiO的表面性质 2.1表面超亲水性 目前的研究认为,在光照条件下,TiO表面的 超亲水性起因于其表面结构的变化.在紫外光照射下,TiO价带电子被激发到导带,电子和空穴向 TiO表面迁移,在表面生成电子空穴对,电子与 Ti反应,空穴则与表面桥氧离子反应,分别形成正三价的钛离子和氧空位.此时,空气中的水解离吸附在氧空位中,成为化学吸附水(表面羟基),化学 吸附水可进一步吸附空气中的水分,形成物理吸附
纳米二氧化钛的应用 纳米二氧化钛作为一种高效、无毒的光催化剂，在环保领域的应用越来越 受到人们的广泛关注和重视。抗菌材料纳米TiO2以其优异的抗菌性能成为开发研 究的热点之一，以期应用于水处理装置、医疗设备、食品包装、建材（如抗菌地砖、抗菌陶瓷卫生设施、抗菌砂浆、抗菌涂料等）、化妆品、纺织品、日用品以及家用电器等各个领域。1、气体净化环境有害气体可分为室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢及氨气等。TiO2通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。大气污染气体，主要是由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化合物。利用纳米TiO2的催化作用将这些气体氧化成蒸汽压低的硫酸和硝酸，在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染的目的。在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷TiO2光催化薄膜或在房间内安放TiO2光催化设备，均可有效地降解污染物，净化室内空气。利用纳米TiO2开发出来的一种抗剥离光催化薄板，可利用太阳光有效去除空气中的NOx气体，而且薄板表面生成的HN03可由雨水冲洗掉，保证了催化剂活性的稳定。2、抗菌除臭抗菌是指纳米TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。TiO2光催化剂对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有很强的杀能力。当细菌吸附于由纳米二氧化钛涂敷的光催化陶瓷表面时，2被紫外光激发后产生的活性超氧离子自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)能穿透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效地杀灭细菌，并抑制细菌分解有机物产生臭味物质(如H2S、SO2、硫醇等)。因此，纳米TiO2能净化空气，具有除臭功能。3、处理有机污水工业污水和生活污水中含有大量的有机污染物，尤其是工业污水中含有大量的有毒、有害的有机物质，这些污染物用生物处理技术很难消除。许多学者对水中有机污染物光催化分解进行了系统的研究，结果表明以TiO2为光催化剂，在光照的条件下，可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为环境友好的CO2和H2O等无害物质。4、处理无机污水除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，例如无机污水中的Cr6+接触到TiO2催化剂表面时，能够捕获表面的光生电子而发生还原反应，使高价有毒的Cr6+降解为毒性较低或无毒的Cr3+，从而起到净化污水的作用；一些重金属离子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应，可回收污水的无机重金属离子。5、防雾、自清洁功能TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴，使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。阅读会员限时特惠 7大会员特权立即尝鲜 如果把高层建筑的窗玻璃、陶瓷等这些建材表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能。 6、抗菌塑料 在日常生活中人们是离不开塑料制品的，如卫生间设施、桌面、垃圾箱、厨房用具、家用电器的塑料外壳、食品包装袋等等，由于温度、湿度合适，非常容易滋生感染细菌。因此!，对此类材料进行抗菌处理是极其必要的。 徐瑞芬等【2】 利用纳米TiO2作为无机抗菌剂，研制抗菌广谱长效的功能塑料。结果表明：采用锐钛矿
纳米TiO2的制备方法 1 前言 20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米TiO2打开了市场，使纳米TiO2的生产和需求大大增加，成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长点。 二氧化钛俗称钛白，是钛系最重要的产品之—，也是一种重要的化工和环境材料。纳米二氧化钛由于其具有粒径小、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而倍受关注，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。 日本、美国、英国、德国和意大利等国对纳米TiO2进行了深入的研究，并已实现纳米TiO2的工业化生产。目前全世界已经有十几家公司生产纳米TiO2，总生产能力估计在(6000～10000)t/a，单线生产能力一般为(400～500)t/a。根据莎哈里本公司统计，2003年全球纳米TiO2销售量仅为1800t左右，其消费量与产品应用见表1。近几年，有关纳米TiO2的新建装置已很少报道，主要是已建成装置的生产能力已远远超出市场的实际消费量，多数厂家处于开工不足或停产的状态。主要原因是目前国际上公认的纳米TiO2制备和应用技术还有待于提高，技术要点和难点主要表现在以下几个方面：①国际上纳米TiO2的价格为(30～40)万元/t，其成本大致是销售价格的2/5，原料和工艺路线的选择是降低生产成本的关键因素；②纳米TiO2的晶型和粒度控制技术；③金红石型纳米TiO2的表面处理技术；④纳米TiO2应用分散技术；⑤纳米TiO2应用功能的提升技术；⑥纳米TiO2产业化成套技术。由于以上条件的制约，使得纳米TiO2的应用和发展受到限制 1.1制备方法介绍 1.1.1溶胶凝胶法 溶胶凝胶法是一种较为重要的制备纳米材料的湿化学方法，主要包括4个步骤［1］：第一步，胶溶。Ti(OR)4与水不能互溶，但与醇、苯、等有机溶剂无限混溶，所以先配制Ti(OR)4的醇溶液（多用无水乙醇），再配制水的乙醇溶液，并向B中添加无机酸或有机酸作水解抑制剂（负催化剂），也可加，将A 和B按一定方式混合、搅拌得透明溶胶。第二步，溶胶凝一定量NH 3 胶转变制湿凝胶。第三步，使湿凝胶转变成干凝胶。第四步，热处理。将干凝胶磨细，在氧化性气氛中在一定温度下热处理，便可得到<100nm的TiO 。 2
纳米二氧化钛光催化性能的测试 一、实验导读 1.半导体光催化剂 半导体介于导体和绝缘体之间，在未激发的具有能带结构的半导体电子结构中，大多数电子处于价带内，而导带内则因能级较高处于电子缺乏状态。导带和价带的过渡区称为带隙或禁带，其能量之差被称为能隙或禁带宽度，用E g表示，E g的大小代表了价带电子跃迁至导带的难易程度。纳米TiO2等半导体的主要特征——宽禁带的存在，其优异独特的电、磁、光学等性质的表现也是由于它的存在而导致的。 宽禁带半导体其价带上的电子一旦受到一个具有高于其禁带宽度能量hv 的光照射后，能使其分子轨道中的电子(e-)离开价带(VB)跃迁到导带(CB)上，并在价带上产生相应的光生空穴(h+)，同时在导带上形成光生电子(e-)。在电场的作用下，两者发生分离，纳米半导体粒子因其尺寸很小，光激发产生的电子和空穴很快到达纳米粒子表面，导致原本不带电的粒子表面的二个不同部分出现了极性相反的二个微区——光生电子和光生空穴。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半导体光催化反应中，与吸附在催化剂表面的污染物分子发生氧化还原反应。 跃迁到导带上的电子和价带上的空穴可能重新复合，并产生热能或以辐射方式散发掉。但是当半导体光催化剂存在表面缺陷、合适的俘获剂、或者电场作用等因素时，电子和空穴的合并就得到了拟制。同时纳米半导体粒子所具有的量子尺寸效应使其导带和价带能级变为分立的能级，能隙变宽，使其电子-空穴对具有更正的价带电位和更负的导带电位，因而具有更高的氧化能力和还原能力。而且粒子越小，电子和空穴达到粒子表面的速度越快，电荷分离效果越好，电子与空穴复合几率反而越小，从而提高了纳米半导
纳米二氧化钛在生活中的应用 前言 纳米TiO 2 具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好 的发展前景。纳米TiO 2 还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天 工业中、锂电池中。在此仅介绍纳米TIO 2 在光催化触媒生活中的应用。 一、纳米TIO2光催化原理 在日光或灯光中紫外线的作用下使Ti0 2 激活并生成具有高催化活性的游离基，能产生很强的光氧化及还原能力，可催化、光解附着于物体表面的各种甲醛等有机物及部分无机物。能够起到净化室内空气的功能。 纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米二氧 化钛的电子结构特点为一个满 TiO 2 的价带和一个空的导带 ,在水和空气的体系中 , 纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下 ,当电子能量达到或超过其带隙能时 ,电子就可从价带激发到导带 ,同时在价带产生相应的空穴 ,即生成电子、空穴对 ,在电场的作用下 ,电子与空穴发生分离 ,迁移到粒子表面的不同位置 ,发生一系列反应 : TiO 2 + hν e —— + h H 2 O + h——·OH+ H O 2 +e—— O 2 · O 2·+ H—— HO 2 · 2HO 2· —— O 2 + H 2 O 2 H 2O 2 +O 2 · ——·OH+OH +O 2 吸附溶解在TiO 2 表面的氧俘获电子形成O 2 ·, 生成的超氧化物阴离子自由 基与多数有机物反应(氧化) ,同时能与细菌内的有机物反应 ,生成CO 2和H 2 O;而 空穴则将吸附在TiO 2表面的OH和H 2 O氧化成·OH,·OH 有很强的氧化能力 ,攻 击有机物的不饱和键或抽取H原子产生新自由基 ,激发链式反应 ,最终致使细菌分解。
纳米二氧化钛的制备综述 摘要综述了纳米二氧化钛的多种制备方法和原理，比较和评述了不同方 法的优缺点。 关键词纳米二氧化钛；制备方法；原理 纳米材料以其特殊的性能和广阔的发展前景引起众多科学家们的广泛关注。纳米材料是指微粒几何尺寸在1nm～l00nm范围内的固体材料。纳米粒子是处于微观粒子和宏观粒子之间的介观系统。纳米材料以其独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子效应等性质，而呈现出许多奇异的物理、化学性质，使其在众多领域具有特别重要的应用价值和广阔的发展前景。纳米二氧化钛TiO2是当前应用前景最为广阔的一种纳米材料，它是当前众多纳米材料中的“明星”。我国对纳米二氧化钛的研究已经进入产业化开发与生产阶段，其制备手段可分为物理和化学两大类。本文就采用化学方法制备纳米二氧化钛的一些方法进行总结，并对不同方法的优缺点进行比较和评述。 一气相法 1．气相合成法 气相合成法是一种传统方法。1941年德国Degussa公司率先采用气相四氯化硅氧焰水解制备自炭黑(纳米级的二氧化硅)。在20世纪80年代中后期，气相氢氧焰水解法(Aerosil法)制备纳米级TiO2开始被应用于工业生产中。其生产过程是将精制过的氢气、空气和氯化物(TIC14 )蒸汽以一定的配比进入水解炉高温水解，温度控制在18000C以上，生成TiO2的气溶胶，经过聚集冷却器停留一段时间即形成絮状大颗粒的TiO2，再经过脱酸炉脱酸(吸附在TiO2表面的HC1)后，从而得到产品，其生产原理如下： Ti+2CI4 = TiC14 TiC14 +2H2+ O2 = TiO2 + 4HCI Aerosil法的优点是：原料TiC14获得容易，可挥发，易水解，易提纯，产品无需粉碎，物质的浓度小，生成粒子的凝聚少，气相产物TiO2的表面整洁、纯度高，易控制粒径颗粒分布集中，可得到不同比表面或不同晶型的系列产品。2．气相沉积法 化学气相沉积法可沉积金属、碳化物、氧化物、氮化物、硼化物等，能在几何形状复杂的物件表面涂敷，涂层与基底结合牢固，此方法发展非常迅速。 魏培海以1200C Ti(OC4H9) 为源物质，将一定流量的氮气通入其中进行鼓泡，并作为载气将Ti(OC4H9)带入TiO2反应器，同时将一定量的氮气通入反应器，应用金属气相沉积(MOCVD)方法沉积TiO2薄膜。当基底物质维持在4000C时，在基底表面发生下列反应：Ti(OC4H9)+24 O2=TiO2+16CO2+18 H2O TiO2分子沉积在基底表面，形成金红石型的TiO2薄膜，膜的厚度可通过调节反应时间来控制，此膜具有较强的光响应性能及稳定性，平带电位与溶液的pH值有关，是较理想的光电化学修饰材料。李文军等也以Ti(OC4H9) 为原料，氧气作反应气体，高纯氮作载体，采用低压MOCVD法在单晶硅基片上制备了TiO2薄膜。通过控制基片温度制成不同构型的TiO2。孙顺明应用自制设备及MOCVD 技术，分别在高掺杂硅片和有透明导电膜玻璃的基片上生长了TiO2薄膜。另外，
锐钛矿TiO2转变为金红石TiO2机制和性能 摘要：TiO2 是多相光催化研究中使用较多的一种材料。其在自然界存有3种不同的晶型：锐钛矿、金红石、板钛矿相。锐钛矿相转变为金红石相的过程是扩散相变。金红石是热力学稳定相, 锐钛矿是亚稳相, 并且从锐钛矿相到金红石相的相变是亚稳相到稳定相的不可逆相变。而煅烧时间与煅烧温度会影响其晶型的转变。在众多影响光催化性能的因素中，晶型是较为重要的一个因素。 关键字：锐钛矿、金红石、TiO2、相变、光催化 光催化降解是一门新型的并正在迅速发展的科学技术。研究表明，在适当的条件下，许多有机物污染物经光催化降解，可生成无毒无味的CO2、H2O及一些简单的无机物。目前，在光催化降解领域所采用的光催化剂多为N型半导体材料, 如TiO2、ZnO、Fe2O3、SnO2、WO3和CdS 等, 其中TiO2以其无毒、价廉、稳定和特殊的光、电性能等优点倍受人们青睐，成为最受重视的一种光催化剂[1]。 1.二氧化钛的结构 近年来, TiO2纳米材料制备、表征及改性一直是光催化研究领域的重点。同一种半导体可能具有不同的晶型，晶型的不同实际上就是组成物质的原子不同的空间构型有序的排布。二氧化钛是白色粉末状多晶型化合物, 自然界有锐钛矿型, 金红石型和板钛型三种晶 型结构, 但板钛型二氧化钛极不稳定且无实用价值[2]。所以目前的研究一般都主要为金红石相及锐钛矿相。TiO2晶体基本结构是钛氧八面体( TiO6)。钛氧八面体连接形式不同而构成锐钛矿相、金红石相和板钛矿相。锐钛矿型和金红石型均属于四方晶系，二者均可用相互连接的Ti06八面体表示，但八面体的畸变程度和连接方式各不不同。板钛矿型属正交晶系，一般难以制备，目前研究很少。如图1所示，金红石型（a）的八面体不规则，微显斜方晶；锐钛矿(b)呈明显的斜方晶畸变，对称性低于前者。从图2[3]中可以看出锐钛矿TiO2的Ti-Ti键长比金红石大，而Ti-O键比金红石小。 TiO2晶体基本结构——钛氧八面体有两种连接方式。如图3所示,分别为共边连接与共顶角连接。从图4[4]中可以看到锐钛矿中每个八面体与周围8个八面体相联(四个共边，四个共顶角)。金红石中的每个八面体与周围10个八面体相联(其中两个共边，八个共顶角)。 图1 金红石、锐钛矿和板钛矿的TiO6八面体结构
浅谈纳米二氧化钛 纳米二氧化钛(Ti0 2 )是一种重要的无机功能材料，由于其粒子具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等性质；其晶体具有防紫外线、光吸收性好、随角异色效应和光催化等性能；而且它的耐候性、耐用化学腐蚀性和化学稳定性较好，因此纳米二氧化钛被广泛应用于光催化、太阳能电池、有机污染物降解、涂料等领域。但纳米二氧化钛也有一定的局限性，可在纳米二氧化钛中添加合适的物质（如树脂、聚苯胺、偶联剂、氟碳树脂等），对其进行改性。 1. 纳米TiO 2的制备（纳米TiO 2 溶胶） 纳米TiO 2的制备方法一般分为气相法和液相法。由于气相法制备纳米TiO 2 有诸多缺点如:能耗大、成本高、设备复杂等，且条件苛刻,大大限制了其发展。液相法主要包括水解法、沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法、微波感应等离子体法等制备技术。而液相法能耗小、设备简单、成本低,是实验室和工业上广泛使用的制备方法。由于传统的方法不能或难以制备纳米级二氧化钛，而溶胶-凝胶法则可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级纳米催化剂，在此仅介绍用溶胶-凝胶法制备纳米TiO 2 溶胶。 溶胶一凝胶法制备纳米TiO 2：是以钛的醇盐Ti(OR) 2 ，(R为-C 2 H 5 、-C 3 H 7 、-C 4 H 9 等烷基)为原料。其主要步骤为：钛醇盐溶于溶剂中形成均相溶液，以保证钛醇盐的水解反应在分子均匀的水平上进行，由于钛醇盐在水中的溶解度不大，一般选用醇(乙醇、丙醇、丁醇等)作为溶剂；钛醇盐与水发生水解反应，同时失去水和失醇缩聚反应，生成物聚集成1nm左右的粒子并形成溶胶；经陈化、溶胶形成三维网络而成凝胶；干燥凝胶以除去残余水分、有机基团和有机溶剂，得到干凝胶；干凝胶研磨后煅烧，除去化学吸附的羟基和烷基团，以及物理吸附的有机溶剂和水，得到纳米TiO 2 粉体。因为钛醇盐的水解活性很高，所以需添加抑制剂来减缓其水解速度，常用的抑制剂有盐酸、醋酸、氨水、硝酸等。但在制备过程中要注意加水方式、水量、pH值、溶剂量、反应温度、拌速度等因素对凝胶形成的影响。
纳米二氧化钛综述 摘要：纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，目前已广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、防晒霜、食品包装材料、航天工业等众多领域。在环境、信息、材料、能源、医疗与卫生中的有广阔的前景使纳米氧化钛进一步成为科学家研 究的焦点。 关键词：污水净化太阳能电池抗紫外线 1.纳米氧化钛可作太阳能电池原料 目前,能源消耗主要来自于化石燃料,由于化石燃料储量有限以及所带来的环境污染问题,人们开始把目光投向环境友好、可再生的能源中,太阳能是未来最有希望的能源之一。而纳米氧化钛是制备太阳能电池的理想材料。 原理光催化反应基本途径当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子(矿)，同时在价带留下空穴(矿)。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH或H2O发生作用生成HO·。HO·是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光
催化反应体系中主要的氧化剂。光生电子也能够与O2发生作用生成HO2·和O2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。HO·能与电子给体作用，将之氧化，矿能够与电子受体作用将之还原，同时h+也能够直接与有机物作用将之氧化： 光催化反应的量子效率低(理论上不会超过20%)是其难以实用化的最为关键因素之一。 2.防紫外线功能 纳米氧化钛（T25）既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。 纳米氧化钛的抗紫外线机理： 按照波长的不同,紫外线分为短波区190～280 nm、中波区280～320 nm、长波区320～400nm。短波区紫外线能量最高,但在经过离臭氧层时被阻挡,因此,对人体伤害的一般是中波区和长波区紫外线。 纳米氧化钛（同VK-T25）的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关:当粒径较大时,对紫外线的阻隔是以反射、散射为主,且对中波区和长波区紫外线均有效。防晒机理是简单的遮盖,属一般的物理防晒,防晒能力较弱;随着粒径的减小,光线能透过纳米二氧化钛的粒子面,对长波区紫外线的反射、散射性不明显,而对中波区紫外线的
纳米二氧化钛 一、简介 纳米二氧化钛是金红石型白色疏松粉末，屏蔽紫外线作用强，有良好的分散性和耐候性。可用于化妆品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域，作为紫外线屏蔽剂，防止紫外 线的侵害。也可用于高档汽车面漆，具有随角异色效应。 纳米级二氧化钛，亦称钛白粉。物理性质为细小微粒，直径在100纳米以下，产品外 观为白色疏松粉末。具有抗线、抗菌、自洁净、抗老化性能，可用于化妆品、功能纤维、 塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。 纳米二氧化钛主要有两种结晶形态：锐钛型（Anatase）和金红石型（Rutile）。金 红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，其遮盖力和着色力也较高。而锐钛型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型二氧 化钛高，带蓝色色调，并且对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高。在一定条件下，锐钛型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。 二、分类 1.按照晶型可分为:金红石型纳米钛白粉和锐钛型纳米钛白粉。 2.按照其表面特性可分为：亲水性纳米钛白粉和亲油性纳米钛白粉。 3.按照外观来分：有粉体和液体之分，粉体一般都是白色，液体有白色和半透明状。 三、功能 纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中、锂电池中。 1.、杀菌功能 在光线中紫外线的作用下长久杀菌。实验证明，以0.1mg/cm3浓度的锐钛型纳米TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催
纳米二氧化钛 纳米二氧化钛，粉体作为化妆品的物理防晒添加剂，具有化学性质稳定、无刺激性、无致敏性、全面防护紫外线等优点。 Titanium dioxide is a light-sensitive semiconductor, and absorbs electromagnetic radiation in the near UV region. The energy diff erence between the valence and the conductivity bands in the solid state is 3.05 eV for rutile and 3.29 eV for anatase, corresponding to an absorption band at < 415 nm for rutile and < 385 nm for anatase。 简介 产品技术指标：TiO2%≥99.3% 粒径：15～50nm 物性数据 柔软，无嗅无味的白色粉末，遮盖力和着色力强，溶点1560～1580℃。不溶于水、稀无机酸、有机溶剂、油，微溶于碱，溶于浓硫酸。遇热变黄，冷却后又变白。 金红石型（R型）密度4.26g/cm3，折射率2.72。R型钛白粉具有较好的耐气候性、耐水性和不易变黄的特点，但白度稍差。 锐钛型（A型）密度3.84g/cm3，折射率2.55。A型钛白粉耐光性差，不耐风化，但白度较好。近年来发现纳米级超微细二氧化钛（通常为10～50 nm)具有半导体性质，并且具有高稳定性、高透明性、高活性和高分散性，无毒性和颜色效应。 概述： 纳米二氧化钛粉体作为化妆品的物理防晒添加剂，具有化学性质稳定、无刺激性、无致敏性、全面防护紫外线等优点。 纳米二氧化钛粒经约10-50nm，具有十分宝贵的光学性质。由于它的透明性和防紫外线能力高度统一，在防晒护肤、轿车面漆、高档涂料、油墨、塑料、精细陶瓷等方面获得了广泛的应用。同时它又是一种重要的半导体材料，各国都在投巨资争相研制，国际市场价20-25万元/吨。 纳米二氧化钛 一、纳米TiO2基本情况
纳米二氧化钛 1引言 纳米微粒是指尺寸为纳米量级的超微颗粒,它的尺度大于原子簇,小于通常的微粒,粒径一般在1～100 nm之间。由于纳米微粒有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等基本特性,使得纳米微粒以及纳米材料具有常规微粒和常规材料没有的独特的光、电、磁、热以及催化性能。自从1984年Gleiter 等人关于纳米材料的报道以来,纳米材料以其优异的性能引起人们的普遍关注。 纳米TiO2 是一种附加值很高的功能精细无机材料。因其具备良好的耐侯性、耐化学腐蚀性、抗紫外线能力强、透明性优异等特点,被广泛应用于汽车面漆、感光材料、光催化剂、化妆品、食品包装材料、陶瓷添加剂、气体传感器及电子材料等。但由于纳米TiO2 大的比表面及较多的表面空键,在制备和应用过程中极易发生团聚,使其优异的性能得不到充分的发挥。近年来人们关于纳米TiO2 改性方面的工作已经做了很多,达到了改性的目的,现综述纳米TiO2 的性质与改性的关系及改性的方法和机理。 2TiO2 的基本结构 TiO2 是金属钛的一种氧化物,其分子式为TiO2。根据其晶型,可分为板钛矿型、锐钛矿型和金红石型三种。其中锐钛矿型TiO2 属于四方晶系,其晶格参数a 0 = 3. 785 ! , c0 = 9. 514 ! 。图1为锐钛矿型TiO2 的单元结构,钛原子处于钛氧八面体的中心,其周围的六个氧原子都位于八面体的棱角处,有四个共棱边,也就是说，锐钛矿型的单一晶格有四个TiO2 分子。锐钛型TiO2 的八面体呈明显的斜方晶型畸变, Ti—O键距离均很小且不等长,分别为1. 937 ! 和1. 964 ! , 这种不平衡使TiO2分子极性很强,强极性使TiO2 表面易吸附水分子并使水分子极化而形成表 1
纳米二氧化钛（TiO2）作为一种新型光催化剂、抗紫外线剂、光电效应剂等，以其神奇的功能，将在抗菌防霉、排气净化、脱臭、水处理、防污、耐候抗老化、汽车面漆等领域显示广阔的应用前景。随着其产品工业化生产和功能性应用发展的日趋成熟，它在环境、信息、材料、能源、医疗与卫生等领域的技术革命中将起到不可低估的作用。 纳米二氧化钛抗菌防霉机理 由于TiO2电子结构所具有的特点，使其受光时生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机污染物的作用。当遇到细菌时，直接攻击细菌的细胞，致使细菌细胞内的有机物降解，以此杀灭细菌，并使之分解。一般常用的杀菌剂银、铜等能使细菌细胞失去活性，但细菌杀死后，尸体释放出内毒素等有害的组分。纳米二氧化钛不仅能影响细菌繁殖力，而且能破坏细菌的细胞膜结构，达到彻底降解细菌，防止内毒素引起的二次污染，纳米二氧化钛属于非溶出型材料，在降解有机污染物和杀灭菌的同时，自身不分解、不溶出，光催化作用持久，并具有持久的杀菌、降解污染物效果。 作为纳米材料，除了满足纳米尺寸的要求以外，还必须具备功能性和应用性。达到纳米尺度分布的TiO2能充分地体现量子尺寸效应、表面效应、体积效应和宏观量子隧道效应，因此具有纳米粒子一系列特殊的应用特性，如抗菌、空气净化、污水净化等。 纳米二氧化钛应用领域 在人们的居住环境中存在着各种有害的细菌对人类生活产生不良影
响。居室内各种建筑装饰材料，如人造板、木质复合地板、层压木质板家具和胶粘剂等会发出甲醛、卤代烃、芳香烃等有毒污染物，危害人体健康。如果在建筑内墙涂料，地面覆盖材料，墙面装饰材料，家具面漆等材料中添入纳米二氧化钛，既可杀菌防霉，又可降解有机污染物，使人们生活在卫生健康的环境中。 此外，添加约1%纳米二氧化钛的抗菌塑料，可广泛应用于食品包装、电器、家具、餐具、公共设施等，以防止病菌的繁殖和交叉感染。抗菌纤维可制作医疗用品等，还可生产抑菌除臭的保健纺织品、卫生纺织品等，以提供安全有效的保健功能。 TiO2光催化技术工艺简单、成本低廉，利用自然光、常温常压即可催化分解病菌和污染物，具有高活性、无二次污染、无剌激性、安全无毒、化学稳定性和热稳定性好等特点，是最具开发前景的绿色环保催化剂之一。采用纳米TiO2光催化剂处理有机废水，能有效地将水中的卤化脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳烃、多环芳烃、酚类、染料、农药等进行除毒、脱色、矿化，最终降解为二氧化碳和水，目前这方面的研究已取得进展，光催化降解污水将成为有效的处理手段。 利用金红石型纳米二氧化钛的紫外线屏蔽优异性和高耐候性，以及光催化效应来降解氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）等，还可以有效地治理工业废气、汽车尾气排放所造成的大气污染，其原理是将有机或无机污染物进行氧化还原反应，生成水、二氧化碳、盐等，从而净化空气。研究结果显示，纳米二氧化钛光催化空气净化涂料、陶瓷等材料在消除氮氧化物等方面的应用具有良好的前景。
《功能材料》期末考核题目：纳米二氧化钛材料的制备-结构-功能 姓名： 学号： 专业： 2013-2014年第二学期
1. 纳米二氧化钛的功能及特性 纳米材料指颗粒尺寸为纳米级的超细颗粒，其尺寸大于原子簇但小于微米级，一般介于1nm～100nm之间。纳米粒子因其尺寸小，比表面积大，表面原子数多，表面能和表面张力随离径的下降急剧增大而具有量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应和宏观量子隧道效应等不同于常规固体的光，热，电，磁等新特性。 纳米TiO2是一种新型的无机材料，粒径在10nm～50nm，相当于普通钛白粉的十分之一，与常规材料相比，纳米二氧化钛具有独特功能： (1)比表面积大， (2)磁性强，具有极强的吸收紫外线的能力。 (3)表面活性大， (4)热导性好， (5)分散性好，制得的悬浮液稳定， (6)奇特的颜色效应， (7)较好的热稳定性， (8)化学稳定性和优良的光学，电学，力学等方面的特性。 其中的锐钛矿具有较高的催化效率；金红石型结构比较稳定，具有较强的覆盖力，着色力和紫外线吸收能力。因此在催化剂载体，紫外线吸收剂，高效光敏剂，防晒护肤化妆品，塑料薄膜制品，水处理，精细陶瓷，器皿传感元件等领域具有广泛的用途。 纳米TiO2光催化杀菌是目前环境净化的研究热点。纳米TiO2光催化技术始于1972年Fujishima和Hondar做的关于光辐照二氧化钦可持续发生氧化还原反应的研究。1985年，Matasunaga等使用Ti/Pt 催化剂在近紫外光照射下6 0 —120 min内杀灭了水中的微生物。自此二氧化钛光催化杀菌的研究日益受到重视，研究对象也逐渐扩展至水体及空气中的病毒、细菌、真菌等。 纳米TiO 光催化氧化杀菌具有显著的优点: 2 (1)无需昂贵的氧化试剂，空气中的氧就可作为氧化剂； (2)二氧化钦催化剂价格低廉，无毒，化学及光化学性质稳定； (3)自然光中的紫外光就可作为光源激发催化剂，因此无需能源，系统维护费用低；
云南化工Yunnan Chemical Technology Apr.2018 Vol.45，No.4 2018年4月第45卷第4期 半导体光催化材料能够直接利用太阳光将水中的有机污染物降解为无毒的二氧化碳和水，且不造成二次污染，受到人们广泛关注。TiO2半导体光催化材料因其具有良好的化学稳定性、高效的光催化效率以及无毒无害、环境友好和生产成本低等优点倍受人们的青睐。为充分利用太阳光降解各类污染物，提高TiO2光催化性能，使其能够在实际应用中充分发挥自身的优势，研究人员对TiO2光催化材料进行改进，结果表明掺杂对于TiO2光催化过程中存在的禁带宽度大、量子产率低、光催化活性低等缺点有显著的改善，但也各自存在着一些不足。文章就近年来TiO2掺杂改性方面的最新研究进展进行综述。 1 金属掺杂[1] 于晓彩等[2]在TiO2中掺杂Li+，研究发现，掺杂Li+能明显提高TiO2的结晶度，从而提高了样品的光催化性能。当Li+掺杂量为5%时，样品为锐钛矿型和金红石型的混合晶型，有效提高了可见光的利用率以及光催化活性。谭昌会等[3]采用溶胶-凝胶法制备了Al3+掺杂TiO2光催化剂，研究其对亚基蓝污染物的降解率，研究表明，当Al3+掺杂量为1%时，降解效率最佳。晁显玉等[4]制备了纳米Cu2+/TiO2光催化剂，研究其对头孢类污染物阿莫西林的降解效率。发现Cu2+掺杂，有效提高了对紫外线的吸收性能，提高了光能的利用率。Cu2+/TiO2光催化剂光吸收范围的扩展程度优于Fe3+/TiO2光催化剂[5]。 2 非金属掺杂 Sato等[6]率先开始了非金属掺杂TiO2光催化剂的研究，他们从氧化氮气体中分解出了氮气，并且把它导入了TiO2。王志宇[7]等采用水热法制备了S掺杂 TiO2光催化剂，研究了其在可见光下对甲基橙的降解率，结果表明，S的掺杂有效拓展了 TiO2的吸收光谱至可见光区，有效提高了其在可见光区的光催化性能。夏勇[8]等制备了N/TiO2光催化剂，研究发现氮掺杂使TiO2的吸收带发生明显红移，在自然光照下，120min时降解率为95.4%。 3 稀土离子掺杂 镧系稀土元素具备独特的电子结构、光学性质以及活泼的化学活性，在对TiO2的能带结构、晶体结构以及光吸收性能等方面进行改性时，稀土元素是一个理想的选择。刘丽静[8]利用溶胶-凝胶法制备了Dy3+掺杂TiO2复合光催化剂，发现掺杂少量稀土离子能细化晶粒，同时具有良好的热稳定性。徐晓虹等[9]制备了Y3+掺杂TiO2纳米粉体，研究表明，掺杂Y3+有效降低了禁带宽度，发生红移现象，且光催化记得平均粒径随着掺杂量的增加而减小。薛寒松等[10]合成了Ce3+掺杂TiO2纳米管，通过与未掺杂TiO2纳米管相比，光催化效果明显提高。光照150min后，甲基橙的降解率超过了80%。 4 共掺杂 近年来，多种与非金属共掺杂 TiO2引起人们的研究兴趣。刘元[11]等采用Fe3+-Ce4+复合掺杂改性 TiO2光催化剂处理真丝产品的印染废水，结果表明，Fe3+-Ce4+共掺杂TiO2光催化剂处理后废水去色率为 98.7%，COD去除率为70%，比单一元素的改性处理工艺更加有效。江鸿等[12]合成了Fe、N共掺杂的TiO2纳米粉体，其对可见光的响应范围明显大于纯TiO2，禁带宽度减少至2.74 eV，使其在可见光下的催化活性显著提高。双元素掺杂比单元素掺杂优越，是因为双元素掺杂克服了单一元素掺杂中总速率仍为较慢的界面反应所控制的弊端，使两个界面反应的速度同时加快保证了整个光催化反应的加快和完善，对污染物种类多，含有毒成分的废水有着良好的处理效果。 5 展望 随着人们对改性纳米 TiO2光催化材料研究的深入，制备出了不同离子掺杂的改性纳米 TiO2 光催化材料，改善了最初二氧化钛光催化材料催化效率低、太阳光光谱利用率低等问题。但是，改性纳米 TiO2 光催化材料在一定程度上仍然无法避免光催化剂制备工艺复杂、成本高、易于团聚等问题。因此，深入理论探讨、优化反应工艺，制备出低密度、光利用率高的催化剂成为当今研究的重点和热点。同时，降低粒子尺寸，提高重复利用率等也成为亟待解决的问题。 参考文献： [1] 王瑶,武志刚.银掺杂多孔氧化钛制备、表征及光催化性能探 究[J].山东化工,2016,45(7):17. [2] 于晓彩,徐晓,金晓杰,等.Li+-TiO2复合纳米光催化剂制备及 其光催化降解海产品深加工废水的研究[J].大连海洋大学学 doi：10.3969/j.issn.1004-275X.2018.04.004 改性二氧化钛纳米材料的研究进展 韩金轩，甘子萱，白美玲，毕 菲 （吉林建筑大学，吉林 长春 130118） 摘 要：TiO 2 半导体光催化材料因其具有良好的化学稳定性、高效的光催化效率以及无毒无害、环境友好和生产成本低等优点倍受人们的青睐。为在实际应用中充分发挥TiO2的优势，研究人员对TiO2光催化材料进行改进，金属，非金属，稀土元素等多种化学成分和物质都被用于TiO2的掺杂改性。文章就近年来TiO2掺杂改性方面的最新研究进展进行综述。 关键词：TiO 2 ；光催化材料；离子掺杂；改性 中图分类号：X703；TB33 文献标识码：B 文章编号：1004-275X（2018）04-006-02 ·6·