纳米TiO_2改性纯丙乳液的制备及性能研究

《纳米TiO2复合材料制备及其光催化性能研究》篇一一、引言随着环境污染和能源短缺问题日益突出，光催化技术作为一种新兴的绿色环保技术，具有广泛的应用前景。

其中，纳米TiO2以其独特的光学、电学和化学性质在光催化领域表现出优异的光催化活性。

近年来，科研人员通过对纳米TiO2进行复合改性，以提高其光催化性能。

本文将探讨纳米TiO2复合材料的制备方法以及其光催化性能的研究进展。

二、纳米TiO2复合材料的制备1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种常用的制备纳米TiO2复合材料的方法。

该方法通过将钛醇盐溶于有机溶剂中，经过水解、缩聚等过程形成溶胶，再经过干燥、热处理等过程得到纳米TiO2复合材料。

该方法具有制备过程简单、产物纯度高、粒径分布均匀等优点。

2. 水热法水热法是利用高温高压的水溶液作为反应介质，通过控制反应条件制备纳米TiO2复合材料的方法。

该方法具有反应温度低、产物结晶度高、形貌可控等优点。

3. 微乳液法微乳液法是一种利用微乳液体系制备纳米TiO2复合材料的方法。

该方法通过将反应物分散在微乳液体系中，形成稳定的反应体系，从而得到粒径小、分布均匀的纳米TiO2复合材料。

三、纳米TiO2复合材料的光催化性能研究1. 光催化反应原理纳米TiO2复合材料的光催化性能主要源于其光生电子和空穴的分离和转移。

当纳米TiO2受到光激发时，会产生光生电子和空穴，这些电子和空穴可以与吸附在TiO2表面的物质发生氧化还原反应，从而实现光催化作用。

2. 复合材料的光催化性能研究通过将不同种类的物质与TiO2进行复合，可以改善其光催化性能。

例如，将金属离子掺杂到TiO2中可以提高其光吸收范围和光催化活性；将非金属元素引入TiO2的晶格中可以改善其可见光响应性能；将其他半导体材料与TiO2进行复合可以形成异质结结构，从而提高光生电子和空穴的分离效率。

这些改性方法均能显著提高纳米TiO2复合材料的光催化性能。

四、实验结果与讨论以某次实验为例，我们采用溶胶-凝胶法制备了不同浓度的金属离子掺杂的纳米TiO2复合材料，并对其光催化性能进行了研究。

TiO2纳米管的制备及改性研究的开题报告一、选题背景与意义纳米技术是21世纪发展的新兴技术，其在材料科学、生物科学、环境科学等领域有着广泛应用。

纳米孔管材料是一种具有特殊表面性能和空间结构的材料，其在催化、吸附和分离等领域有着广泛应用。

TiO2纳米管是一种典型的纳米孔管材料，其表面带有许多羟基和氧化物基团，具有良好的化学稳定性、强光催化活性等特点。

本研究将重点探讨TiO2纳米管的制备及改性方法，旨在提高其催化性能和应用价值，为环保、新能源等领域的发展做出贡献。

二、研究内容和方法1. 制备TiO2纳米管的不同方法通过文献调研和实验探索，总结TiO2纳米管的制备方法，包括氧化分解法、电化学合成法、水热法等，分析其优缺点和适用范围。

2. 对TiO2纳米管进行表面改性采用不同的表面改性方法，如物理改性、化学改性等，改变其表面性质，提高其催化活性和稳定性。

比较不同改性方法对催化性能的影响，寻找最优改性方法。

3. 分析TiO2纳米管的催化性能使用催化反应器对TiO2纳米管进行催化性能测试，比较不同制备方法和改性方法对催化性能的影响。

利用扫描电镜、透射电镜等对TiO2纳米管进行形貌表征和结构分析。

三、预期结果1. 确定一种最适合制备TiO2纳米管的方法，并优化其制备条件。

2. 确定一种最优的表面改性方法，提高其催化性能和稳定性。

3. 对比不同制备和改性方法对TiO2纳米管催化性能的影响，探究其影响因素和机理。

四、研究意义1. 提高TiO2纳米管的催化性能，开发更多实际应用场景。

2. 探究纳米孔管材料的制备和改性方法，为纳米材料的研究提供新思路。

3. 对环保、新能源等领域的发展做出贡献。

Qiye Keji Yu Fazhan0引言随着我国改革开放进程的不断推进，我国公路发展迅速，截至2021年底，全国公路里程数共计528.07万千米，公路密度55.01千米/百平方千米。

公路养护里程525.16万千米，占公路总里程比重为99.4%[1]。

目前公路修筑的重要工作是延长道路的使用年限。

乳化沥青具有较好的流动性，乳化沥青能够提高与沥青结合料之间的黏附性，可以减少沥青的使用量，节省成本[2，3]。

改性乳化沥青是在乳化沥青中加入改性剂得到的，乳化沥青不管是在高温还是低温的环境中都有优良的温度稳定性，同时乳化沥青的冷态施工处理，受季节影响较小[4]，因此即便延长施工季节，也能够减少沥青在摊铺、拌合及使用中释放有害气体，减少对环境和人身健康的威胁。

现在改性乳化沥青通常广泛地应用于微表处、黏结层等领域，具有较大的开发应用价值。

1原材料本试验采用郑州市郑发市政有限公司提供的70号沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE 20—2011）[5]，分别测试70号基质沥青3大指标，如表1所示。

乳化剂选择阳离子乳化剂BH-MK ，破乳速度为慢裂型，活性物含量90%，最适pH 值为2.5-3）。

TiO 2和SBR 胶乳作为一种复合改性剂。

本文所用的SBR 阳离子丁苯胶乳，有效含量为60%。

TiO 2作为改性剂掺入到基质沥青后，经过剪切后得到的改性沥青的针入度有一定的改善，相反软化点和延度有一定程度的降低，但各项指标均达到规范要求[6]。

掺加纳米TiO 2改性沥青指标见表2，无水CaCl 2（强酸弱碱盐）来改善阳离子乳化沥青的质量，pH 值调节剂选择盐酸。

2改性乳化沥青的制备流程本文选择先乳化后改性的制备方式，先将阳离子乳化剂与沥青经过乳化作用制得乳化沥青，然后再将SBR 胶乳、TiO 2加入乳化沥青溶液中，然后制备得到复合改性乳化沥青。

2.1正交试验设计正交试验是用全面试验中具有代表性的部分试验，有效地降低试验工作量，还能够分析不同因素对试验的影响。

纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究近年来，纳米材料在化学、生物、环境科学等领域中得到了广泛的研究和应用。

其中，纳米二氧化钛（TiO2）作为一种重要的光催化剂，具有高效、可再生和环境友好等特点，在环境净化、能源产生和分解有机物等方面具有广阔的应用前景。

本文将重点探讨纳米TiO2光催化剂的制备方法、改性途径及其应用研究。

一、纳米TiO2光催化剂的制备方法一般来说，制备纳米TiO2的方法可以分为物理法和化学法两类。

物理法主要采用物理化学方法，如溶胶-凝胶法、热分解法、气相沉积法等；化学法则是指溶胶法、水热法、反应混合物法等。

这些方法不仅能够控制纳米颗粒的尺寸和形貌，还能够改变其相结构和晶格缺陷，以调控纳米颗粒的光催化性能。

二、纳米TiO2光催化剂的改性途径为了提高纳米TiO2的光催化活性和稳定性，许多研究者通过改性方法对其表面进行处理。

常见的改性手段包括：掺杂、复合、修饰以及载体的选择等。

掺杂是指将一些金属、非金属元素掺入TiO2晶格中，以调控其能带结构和电子结构，提高光吸收范围和载流子分离效率；复合是指将TiO2和其他半导体材料复合，形成异质结构，提高光生电子-空穴对的分离效果；修饰则是在TiO2表面修饰一层活性物质，如负载金属催化剂、有机染料等，以增强其吸附能力和活性；而载体的选择则常常可以通过介孔材料或纳米载体来限制纳米颗粒的再聚集和增加其比表面积。

三、纳米TiO2光催化剂的应用研究纳米TiO2光催化剂在环境净化、能源产生和有机物降解等方面具有广泛的应用前景。

在环境领域，纳米TiO2光催化剂可以应用于有害物质的分解和废水的处理。

例如，通过纳米TiO2光催化剂的作用，可以分解空气中的甲醛、苯等VOCs （挥发性有机物），从而净化空气。

在废水处理方面，纳米TiO2光催化剂可用于分解废水中的有机物以及去除重金属离子等。

在能源产生方面，纳米TiO2光催化剂可以用于光电子设备的制备。

纳米TiO2颗粒作为光吸收剂，在光电子器件（如光电池）中具有重要的作用。

《纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究》篇一一、引言随着环境问题的日益严重，光催化技术作为一种新型的环保技术，已经引起了广泛的关注。

纳米TiO2光催化剂作为光催化技术中的核心组成部分，具有高效、稳定、无毒等优点，被广泛应用于废水处理、空气净化、太阳能电池等领域。

本文将重点介绍纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究。

二、纳米TiO2光催化剂的制备1. 物理法物理法主要包括气相法和真空蒸发法等。

气相法是通过将TiO2原料加热至高温，使其在气体状态下凝聚成纳米粒子。

真空蒸发法则是将TiO2原料在真空环境下加热蒸发，然后在冷却过程中形成纳米粒子。

这两种方法虽然可以制备出纯度高、粒径分布窄的纳米TiO2，但设备成本较高，不适合大规模生产。

2. 化学法化学法主要包括溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法等。

其中，溶胶-凝胶法是制备纳米TiO2最常用的方法之一。

该方法通过将Ti的前驱体溶解在溶剂中，经过水解、缩合等反应形成溶胶，再通过干燥、煅烧等过程得到纳米TiO2。

该方法设备简单、操作方便，适合大规模生产。

三、纳米TiO2光催化剂的改性为了提高纳米TiO2光催化剂的光催化性能，人们对其进行了各种改性研究。

常见的改性方法包括贵金属沉积、非金属元素掺杂、半导体复合等。

1. 贵金属沉积贵金属如Pt、Ag等可以沉积在纳米TiO2表面，形成肖特基势垒，能够有效地捕获光生电子，抑制电子-空穴对的复合，从而提高光催化性能。

2. 非金属元素掺杂非金属元素如N、C、S等可以掺杂到纳米TiO2晶格中，使其吸收可见光的能力增强，拓宽了光谱响应范围。

同时，掺杂还能够影响晶格缺陷，提高载流子的迁移率，从而提高光催化性能。

3. 半导体复合通过将纳米TiO2与其他半导体材料进行复合，可以形成异质结，提高光生电子和空穴的分离效率。

常见的复合材料包括CdS、ZnO等。

此外，还可以通过形成核壳结构等方式进一步提高光催化剂的稳定性。

四、纳米TiO2光催化剂的应用研究纳米TiO2光催化剂在环保领域具有广泛的应用前景。

纳米TiO2材料的制备及其应用中文摘要:纳米ＴiＯ2是一种新型的无机材料,具有一定的光学性质、化学稳定性、的制备方法，主要热稳定性、无毒性、超亲水性等特性。

文章综述了纳米TiO２包括气相法、液相法、固相法,分析了不同制备方法的优缺点。

此外,介绍了纳米TiＯ２材料在杀菌材料、处理污水、废水、光催化分解水制氢、光诱导的亲水涂料和自清洁设备、太阳能电池电极等领域的应用。

关键字：纳米ＴiＯ2；制备;应用Absｔrａｃｔ: As a new kｉnｄoｆiｎoｒgaｎic materiaｌs，nano-TiO2had ｖeｒy vaｌｕａble oｐtiｃａl pｒｏｐertiｅs, ｃhemｉcal stability，therｍal stability, noｎtｏxicｉｔy，suｐｅｒhydrophiｌic ａｎd so on.Different methods forｐrepaｒing naｎo-ＴiO２wｅrｅintroｄuced，wｈicｈmain ｌy ｉnｃluded gａｓphase method, lｉquid phasｅmethod anｄｓolid phａse methoｄeｔc. Tｈe ａdvantaｇeｓand ｄisａdvaｎｔagｅs of the dｉffere ｎt ｐreparatiｏn methoｄs ｗere ａnａlyzed. Ｉn additｉｏｎ, thｅaｐplｉｃａｔioｎｏf nａno-TiO2 mａteｒiaｌs as bａcteｒicidaｌｍaｔｅｒｉals, ｓe ｗaｇｅand wasｔewater ｔreａtｍｅnt, hydrｏgｅn ｐrodｕｃtion by pｈoｔocatalyｔic decomposition ofｗater，phoｔo-ｉｎduｃed hｙｄrｏphilic co ａｔings and seｌf－cleａｎｉng ｄeｖicｅs and sｏlar ceｌｌeｌectｒodeｓwaｓiｎtrｏduｃed.Keyｗｏrds: nａnometer siｚｅd TiＯ2;prepａｒaｔｉon；ａｐplicａtioｎｓ一、前言纳米ＴiO2是一种新型的无机材料,由粒子具有表面效应、量子尺寸效应、小在尺寸效应、宏观量子隧道效应等性质使得其晶体具有优异的特性。

纳米TiO_2增强木纤维/聚丙烯复合材料制备及其抗紫外老化特性研究因性能优良、成本低等优点,以聚丙烯为基体相、木纤维为增强相的木塑复合材料广泛应用于建筑装饰材料、室外建筑等领域,而户外用材常暴露在阳光下,受紫外线长期照射后材料发生老化致其使用寿命减少,材料性能降低。

为了克服紫外线对复合材料引起的老化,将硅烷偶联剂KH-570表面处理的纳米TiO2粒子加入木质纤维/聚丙烯复合体系中,制备聚丙烯基木塑复合材料,并对其进行人工紫外加速老化试验,测试、分析和表征复合材料老化前后力学性能、表面颜色、表面形貌等变化,探究纳米TiO2颗粒对聚丙烯基木塑复合材料抗紫外老化的效果及其机理。

结果表明:1改性处理的纳米TiO2粒子,发现KH-570成功地接枝在纳米TiO2表面,改善了其表面性能及分散效果;合适的木塑比可改善复合材料的力学性能,且木纤维的预处理方法也影响材料的性能。

2加入经表面改性的纳米TiO2制备木纤维/聚丙烯复合材料的力学性能表现出先增大后减小趋势,主要是因微量的TiO2粒子对复合材料的力学性能起到增强的效果,但TiO2粒子的含量超过某个界限时,纳米粒子会在材料中发生团聚而使其纳米特性降低甚至消失。

3制备的纳米TiO2木纤维/聚丙烯复合材料经紫外加速老化后,复合材料的力学性能都会下降。

添加TiO2的复合材料的力学性能降低范围小,主要是由于纳米TiO2所具有的特性,能对紫外光的屏蔽作用,降低了材料的老化程度;但纳米TiO2的含量过高时,粒子开始出现团聚,从而阻碍其纳米效应的发挥,降低了材料的抗老化性。

当添加复合材料3 wt%的纳米TiO2时,所获复合材料的抗老紫外老化效果最好。

4结合傅里叶红外光谱、扫描电镜及复合材料老化机理的研究,分析纳米TiO2对木纤维/聚丙烯复合材料的抗老化机理为:因纳米TiO2对紫外线具有吸收与屏蔽作用,将其加入到复合材料中,在紫外老化的整个过程中,由于纳米TiO2的特性使得复合材料吸收的能量达不到材料内部的高分子发生分子链断裂与木纤维降解所需要的能量,使得它们的降解反应延迟,从而获得明显的复合材料老化抑制效果。

纳米TiO2的制备及其改性和应用研究进展摘要：简要介绍了TiO纳米材料的制备、改性方法及其应用；2其制备方法包括气相法和液相法,液相法又包括溶胶-凝胶法、水热/溶剂热法、液相沉积法和微乳液法；其改性主要包括贵金属沉积、离子掺杂、染料敏化和半导体复合；其应用领域则主要包括光催化、光伏电池和光解水。

关键词：二氧化钛；纳米材料；制备；改性；应用前言俗称钛白粉,无毒、无味、无刺激性,热稳定性好,且原料TiO2来源广泛易得。

它有三种晶型:板钛矿、锐钛矿和金红石型。

TiO2电极光最早用来做涂料。

自从1972年Fujishima 等[1]发现用TiO2催化分解水现象之后TiO纳米材料的研究受到了极大的关注。

包2纳米材料的性括纳米颗粒、纳米棒、纳米线和纳米管在内的TiO2质、制备和改性方法及其在光催化、光伏电池、光电化学电池等领域的应用得到了广泛的研究。

在二十世纪早期，二氧化钛就已经被广泛应用于颜料、防晒霜、涂料、药膏、牙膏等领域中，而自从1972年Fujishima发现二氧化钛电极在紫外光照射下可以光解水制氢以来，二氧化钛的光催化性能得到了广泛的研究，目前已经在光电性能和光催化净化环境方面开发了很多实际的应用。

作为一种光催化材料，二氧化钛在净化污染和保护环境方面被认为是最有潜力的一种材料，众所周知二氧化钛的量子产率是由光致电子与空穴的产生与复合决定的，而二氧化钛的颗粒大小与几何结构则会直接影响光致电子与空穴的运动变化，具有较小的晶粒大小一般来说会提高二氧化钛的光学性能。

因此，通过制备均匀细小的二氧化钛纳米颗粒以及对二氧化钛进行改性如：掺杂、半导体复合、表面贵金属修饰和有机染料敏化等方法，都可以提高二氧化钛的光催化性能，使其满足现代生活中各种不同的需求。

本文将重点介绍通过掺杂的方法对二氧化钛纳米颗粒进行改性。

1 TiO2纳米材料的制备方法TiO纳米材料的制备方法很多,大体可以分为气相法和液相2法。

1.1 气相法TiO2纳米材料的气相合成主要是在化学技术[2]和物理技术上发展起来的。

纳米二氧化钛／聚丙烯酸酯复合乳液的研究进展对纳米二氧化钛/聚丙烯酸酯复合乳液的制备方法进行了综述，并对其存在的问题和未来的发展前景进行了展望。

标签：纳米二氧化钛；聚丙烯酸酯；复合乳液；研究进展1 前言聚丙烯酸酯乳液具有良好的成膜性、透明性和耐候性以及优良的力学性能，可用作涂料、胶粘剂、油墨等[1]。

但是聚丙烯酸酯乳胶膜高温发黏、低温变脆、硬度和耐水性较差等缺陷，一定程度上限制了其应用。

通过在聚丙烯酸酯乳液中引入无机纳米二氧化钛（n-TiO2），制备纳米TiO2/聚丙烯酸酯复合乳液，可有效提高聚丙烯酸酯乳胶膜的耐热性、耐水性、力学性能等。

由于纳米二氧化钛的表面能高，与聚丙烯酸酯的相容性差，难以分散，从而影响聚丙烯酸酯乳液性能及乳胶膜性能的提高。

国内外研究者通过多种方法来制备n-TiO2/聚丙烯酸酯复合乳液，以期获得具有优良性能的复合乳液，并已取得了较大进展。

按照在制备过程中有无化学反应发生，可将n-TiO2/聚丙烯酸酯复合乳液的制备方法分为物理法和化学法，而化学法又可细分为原位分散聚合法、溶胶-凝胶法和溶胶-原位聚合法。

本文主要针对近年来n-TiO2/聚丙烯酸酯复合乳液的制备方法进行了综述。

2 物理法物理法，即机械共混法，主要是通过搅拌、研磨和震荡等物理方法，将n-TiO2分散于聚丙烯酸酯乳液中的方法。

直接将n-TiO2分散到聚丙烯酸酯乳液中，容易发生团聚，通常需要外加助剂或偶联剂对其进行表面改性，才能获得较好的效果。

王全杰等[2]在n-TiO2颗粒分散液中加入适量的六偏磷酸钠作分散剂，再与丙烯酸甲酯乳液共混，制备了n-TiO2/聚丙烯酸酯复合乳液。

研究发现，n-TiO2并未发生团聚，且n-TiO2颗粒与聚丙烯酸酯乳胶粒之间存在一定程度的结合，并稳定分布于胶乳粒之间。

张旭昀等[3]将硅烷偶联剂改性后的纳米TiO2悬浮液加入到聚苯乙烯/丙烯酸酯乳液中，配以各种助剂，制备出n-TiO2/苯丙复合水性涂料。

纳米氧化铝改性水性丙烯酸树酯涂料的性能研究本课题首先制备了纳米氧化铝改性水性丙烯酸树酯涂料，丙烯酸和丙烯酸正丁酯自由基聚合而生成丙烯酸酯乳液。

并研究了各反应条件对聚合反应的影响规律，对聚合条件进行了优化，确立了制备基料的反应条件。

利用较为适宜的颜基比和匹配得当的各种助剂，设计了较合理的涂料配方，并对涂料性能进行了检测，检测结果完全符合国家标准。

研究了纳米TiO_2在涂料中分散，及涂料的抗菌性能。

结果表明:丙烯酸和丙烯酸正丁酯共聚的影响条件有反应时间，单体滴加时间，单体配比，反应温度等。

其中单体滴加时间的影响最大，滴加过快，会引发暴聚。

在反应时问为150min，单体滴加时间为60min 左右，单体配比为2:3时，反应温度为67℃时，基料粘度适中，含固量高，耐水性好。

在乳胶涂料中，颜料和填料已经确定的情况下，涂膜的结构和物理性能基本上取决与颜基比，颜基比是设计涂料配方的重要参数，通常外用型乳胶涂料的颜基比为(2.0～4.0):1.0。

本课题选用了较为适宜的3.0:1.0。

各种助剂匹配得当，相互增益，与基料有较好的相容性，低毒或无毒。

助剂的用量较少，选用高效的，多功能助剂。

涂料配方设计较合理。

对涂料性能的检测，适用了国家标准GB/T9755-2001。

检测了涂料在容器中的状态，低温储存稳定性，粘度，固体含量，干燥时间，涂膜颜色和外观，耐水性，耐碱性，耐洗刷性等指标，检测结果完全符合国家标准。

复合纳米TiO_2有较好的杀菌效果，添加复合纳米TiO_2的水性建筑涂料具有杀菌功能。

纳米TiO_2杀菌机理主要是利用光生空穴和生成的活性氧杀菌。

纳米TiO_2在质量分数为3%时对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌杀菌效果均较好。

纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究摘要：纳米TiO2光催化剂因其优异的光催化性质在环境净化、水处理、能源转换等领域得到广泛应用。

本文以纳米TiO2为研究对象，重点探讨了其制备、改性方法以及在不同领域的应用研究内容和进展。

一、纳米TiO2的制备方法目前常用的纳米TiO2制备方法主要包括溶胶-凝胶法、水热法、气相沉积法等。

其中，溶胶-凝胶法通过溶胶的制备和凝胶的成型过程来得到纳米TiO2颗粒，可以控制颗粒的尺寸和形貌；水热法则是通过在高温高压的水环境下合成纳米TiO2颗粒，可制备出高度结晶的颗粒；气相沉积法则通过在气相中加热激活气体产生纳米TiO2颗粒。

这些方法各有优劣，适用于不同的研究需求。

二、纳米TiO2的改性方法为了提升纳米TiO2的光催化性能和稳定性，研究者在其表面进行改性。

常用的改性方法包括复合杂化技术、离子掺杂、表面修饰等。

复合杂化技术将纳米TiO2与其他材料进行复合，例如薄膜包覆、共混等方式，可以增加纳米TiO2的吸光性能和光生载流子的分离效率；离子掺杂则通过将单质离子或化合物引入纳米TiO2晶格中，改变其能带结构和光吸收性能；表面修饰通过在纳米TiO2颗粒表面修饰有机物或无机物，改变其表面性质和光催化性能。

三、纳米TiO2的应用研究纳米TiO2光催化剂具有优异的光催化性能和广泛的应用前景。

在环境净化方面，纳米TiO2可用于有机污染物的降解和空气净化，通过紫外光的激发产生活性氧自由基，降解有机污染物；在水处理领域，纳米TiO2可用于水的净化和废水处理，能够高效去除重金属离子和有机物，同时使用纳米TiO2光催化剂可以提高水的透明度和亮度；在能源转换方面，纳米TiO2可应用于太阳能电池、光电催化水分解等领域，用于转化光能为电能或储存能。

综上所述，纳米TiO2光催化剂具有制备简单、光催化效率高等优势，通过改性可以进一步提升其性能。

未来，随着对纳米材料研究的深入，纳米TiO2光催化剂将在环境净化、水处理和能源转化等领域发挥更大的作用。

第21卷第2期化 学 研 究中国科技核心期刊2010年3月CH EM ICA L R ESEA RCH hx y j@纳米TiO2的制备及其改性和应用研究进展王 勇,张 艳,赵亚伟,朱旭辉,徐宝龙(烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005)摘 要:简要介绍了T iO2纳米材料的制备、改性方法及其应用;其制备方法包括气相法和液相法,液相法又包括溶胶 凝胶法、水热/溶剂热法、液相沉积法和微乳液法;其改性主要包括贵金属沉积、离子掺杂、染料敏化和半导体复合;其应用领域则主要包括光催化、光伏电池和光解水.关键词:二氧化钛;纳米材料;制备;改性;应用;综述中图分类号:T Q134.1文献标识码:A文章编号:1008-1011(2010)02-0094-06Advances on Preparation,Modification and Applicationof Nanosized TiO2WANG Yong,ZH AN G Yan,ZH AO Ya w ei,ZH U Xu hui,XU Bao long (S chool of S cience and T echnolog y f or Op to E lec tr onic Inf ormation,Yantai Univ ersity,Yantai26405,S hand ong,Ch ina)Abstract:A r ev iew is given about prepar ations,modification and application of nanosized T iO2.It is pointed o ut that the preparation m ethods m ainly include gas phase and liquid phase methods,and liquid phase m ethod can be classified into so l gel m ethod,hydrotherm al/so lvotherm almetho d,liquid phase deposition metho d and m icro emulsion method.The major modificationmetho ds include deposition of precious metal,ion doping,dy e sensitization and sem iconductorco mpo unding.And the m ajor application fields include photocataly sis,photovo ltaic cell and solar w ater splitting.Keywords:titanium diox ide;nanom aterial;preparation;m odificatio n;applicatio n;reviewTiO2俗称钛白粉,无毒、无味、无刺激性,热稳定性好,且原料来源广泛易得.它有三种晶型:板钛矿、锐钛矿和金红石型.T iO2最早用来做涂料.自从1972年Fujishima等[1]发现用T iO2电极光催化分解水现象之后,TiO2纳米材料的研究受到了极大的关注.包括纳米颗粒、纳米棒、纳米线和纳米管在内的T iO2纳米材料的性质、制备和改性方法及其在光催化、光伏电池、光电化学电池等领域的应用得到了广泛的研究.1 T iO2纳米材料的制备方法TiO2纳米材料的制备方法很多,大体可以分为气相法和液相法.1.1 气相法TiO2纳米材料的气相合成主要是在化学技术[2]和物理技术上发展起来的.由于反应温度高,气相法具有成核速度快、产品结晶度高、纯度高、生成粒子团聚少、粒径易控制等优点.气相法可以合成各种形貌的TiO2薄膜或粉体:纳米棒、纳米管、纳米带等.最常使用的气相法是高温溅射沉积法(SPD).A honen等[3]用钛醇盐做前驱体,采用SPD法合成了T iO2纳米粉体和薄膜.其他的气相制备技术包括:直流电溅射法、高频收稿日期:2009-11-03.作者简介:王勇(1984-),男,硕士生,研究方向是先进光电功能材料.E mail:w angyong00001@.第2期王勇等:纳米T iO2的制备及其改性和应用研究进展95无线电溅射法、分子束取向生长法和等离子体法等.1.2 液相法目前制备T iO2纳米材料应用最广泛的方法是各种前驱体的液相合成法.这种方法的优点是:原料来源广泛、成本较低、设备简单、便于大规模生产.但是产品粒子的均匀性差,在干燥和煅烧过程中易发生团聚.应用最普遍的液相制备方法包括溶胶 凝胶法和水热/溶剂热方法、液相沉积法和微乳液法.1.2.1 溶胶 凝胶法溶胶 凝胶法是制备薄膜和粉体时最常使用的方法.在溶胶 凝胶过程中,含钛前驱体经过水解和浓缩形成T iO2无机结构.使用最广泛的前驱体是Ti(OEt)4、T i(i PrO)4、T i(n BuO)4、T i(SO)2和T iCl4.为了得到结晶度较高的T iO2,一般需要将水解产物做煅烧处理.Li等[4]采用溶胶 凝胶法制备了粒径小于6nm的TiO2纳米粒子.但是,煅烧过程通常会导致TiO2纳米粒子长大或者团聚.习王锋等[5]以钛酸丁酯为原料,用溶胶 凝胶法和水热法相结合的方法制备了金红石型T iO2纳米棒.为了得到粒度分布窄和分散性良好的纳米颗粒,可以在反应中添加不同的表面活性剂,像乙酸和乙酰丙酮[6]等.在表面活性剂的帮助下,可以合成不同大小和形状的TiO2纳米棒,Co zzoli等[7]通过油酸(OA)控制四异丙钛醇(T T IP)水解合成了细长的锐钛矿相T iO2纳米棒.改变表面活性剂的浓度可以改变TiO2纳米晶体的形状.例如,在十二烷酸浓度较低时,得到的纳米晶是子弹型或菱形的;当浓度较高时,得到的纳米晶体是棒状的[8].Lin Y等[9]将溶胶 凝胶法和阳极氧化铝模板(AAM)结合,即将多孔的AAM浸入到T iO2溶胶中,然后经烘干和加热处理,通过溶胶 凝胶电泳沉积法使胶状悬浮液中的T iO2沉积入AAM,制备了规则的TiO2纳米棒、纳米线和纳米管阵列[9]. 1.2.2 水热/溶剂热方法水热/溶剂热方法合成TiO2通常在水热釜中进行,通过控制前驱物的水或有机溶液的温度和压力进行反应.温度和水热釜中的溶液量决定了产生的压力.水热/溶剂热方法中使用最普遍的前驱体是Ti(SO4)2、H2T iO(C2O4)2、钛的卤化物和钛酸丁酯.Feng X J等[10]在160 下水热处理T iCl3和过饱和NaCl水溶液2 h,制备了T iO2纳米棒.Kasug a T等[11]将T iO2粉体放入到2.5~20mo l/L的NaOH水溶液中,在110 下用水热釜处理20h,制备了T iO2纳米管.溶剂热方法与水热法的区别在于溶剂热方法中使用的溶剂是无水的有机溶剂.溶剂热方法中最常使用的有机溶剂是甲醇、丁醇、甲苯等.与水热法相比,溶剂热方法的优点在于,具有更高沸点的有机溶剂有很多种,溶剂热方法比水热法能够达到更高的温度,能更好地控制TiO2纳米颗粒的大小、形态分布和晶型.用不同的表面活性剂可以调整生成纳米棒的形貌.比如,Kim C S等[12]用油酸做表面活性剂,将四异丙钛醇的无水甲苯溶液在水热釜中250 处理20h,得到了窄分散的TiO2纳米棒.1.2.3 液相沉积法液相沉积法是以无机钛盐作原料,通过直接沉积来制备功能T iO2粉体和薄膜的液相法.Deki等[13]用(NH4)2TiF6和H3BO3的水溶液为起始溶液,制备了T iO2薄膜.Imai等[14]用添加了尿素的TiF4和T i (SO4)2的水溶液制备了不同形貌的T iO2纳米材料.与溶胶 凝胶法相比,液相沉积法具有以下优点:对仪器要求比较低,温度要求低(30~50 ),基片选择比较广等.1.2.4 微乳液法微乳液法制备纳米T iO2是近年来才发展起来的一种方法.微乳液是指热力学稳定分散的互不相溶的液体组成的宏观上均一而微观上不均匀的液体混合物.该法的制备原理是在表面活性剂作用下使两种互不相溶的溶剂形成一个均匀的乳液.利用这两种微乳液间的反应可得到无定型的T iO2,经煅烧、晶化得到TiO2纳米晶体.贺进明等[15]以TiCl4为原料、在十六烷基三甲基溴化铵/正己醇/水组成的微乳液体系中,在较低温度下,制备了球形、花状、捆绑丝和星形的金红石型TiO2纳米颗粒.微乳液法得到的粒子纯度高、粒度小而且分布均匀.但稳定微乳液的制备较困难,因此,此法的关键在于制备稳定的微乳液.2 T iO2纳米材料的改性TiO2纳米材料的很多应用都是和其光学性质紧密相连的.但是,T iO2的带隙在一定程度上限制了T iO2纳米材料的效率.金红石型T iO2的带隙是3.0eV,锐钛矿型是3.2eV,只能吸收紫外光,而紫外光在太阳光中只占很小的一部分(<10%)[16].因而,改善TiO2纳米材料性能的一个目的就是将其光响应范围从紫外光96化 学 研 究2010年区拓展到可见光区,从而增加光活性.目前经常采用的改性方法包括贵金属沉积、离子掺杂、染料敏化和半导体复合等方法.2.1 贵金属沉积半导体表面贵金属(包括Pt、Au、Pd、Rh、Ni、Cu和Ag)沉积可以通过浸渍还原、表面溅射等方法使贵金属形成原子簇沉积附着在T iO2表面.由于贵金属的费米能级比TiO2的更低,光激发电子能够从导带转移到沉积在TiO2表面的贵金属颗粒上,而光生价带空穴仍然在T iO2上.这些行为大大降低了电子和空穴再结合的可能性,从而改善其光活性.Anpo和Takeuchi[17]制备了Pt沉积TiO2用于光催化分解水制氢实验,发现产氢效率得到了明显提高.Sakthiv el等[18]研究了用Pt、A u和Pt沉积T iO2做光催化剂时对酸性绿16的光致氧化作用,发现与未沉积贵金属的TiO2相比,光催化效率得到了不同程度的提高.2.2 离子掺杂TiO2半导体离子掺杂技术是用高温焙烧或辅助沉积等手段,通过反应将金属离子转入T iO2晶格结构之中.离子的掺杂可能在半导体晶格中引入缺陷位置和改变结晶度等,影响了电子和空穴的复合或改变了半导体的激发波长,从而改变TiO2的光活性.但是,只有一些特定的金属离子有利于提高光量子效率,其他金属离子的掺杂反而是有害的.Choi等[19]系统地研究了21种金属离子掺杂对T iO2光催化活性的影响,发现Fe、M o、Ru、Os、Re、V和Rh离子掺杂可以把TiO2的光响应拓宽到可见光范围,其中Fe离子掺杂效果最好,而掺杂Co和Al会降低其光催化活性.Wu等[20]定性分析了过渡金属(Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu)离子掺杂对T iO2的光催化活性的影响.Xu等[21]比较了不同稀有金属(La、Ce、Er、Pr、Gd、N d和Sm)离子掺杂对TiO2光催化活性的影响.阴离子掺杂可以改善T iO2在可见光下的光催化活性、光化学活性和光电化学活性.在T iO2晶体中掺杂阴离子(N、F、C、S等)可以将光响应移动到可见光范围.不像金属阳离子,阴离子不大可能成为电子和空穴的再结合中心,因而能够更有效地加强光催化剂的催化活性.Asahi等[22]测定了取代锐钛矿T iO2中O的C、N、F、P和S的掺杂比例.发现p态N和2p态O的混合能使价带边缘向上移动从而使得T iO2带隙变窄.尽管S掺杂同样能使T iO2带隙变窄,但是由于S离子半径太大很难进入TiO2晶格.研究表明C和P掺杂由于掺杂太深不利于光生电荷载体传递到催化剂表面,所以对光催化活性的影响不是很有效.Ihara等[23]将硫酸钛和氨水的水解产物在400 的干燥空气中煅烧,得到了可见光激发的N掺杂T iO2光催化剂.2.3 染料敏化有机染料被广泛地用作T iO2的光敏化剂来改善其光学性质.有机染料通常是具有低激发态的过渡金属化合物,像吡啶化合物、苯二甲蓝和金属卟啉等.Yang等[24]用联吡啶、Carp等[25]用苯二甲蓝染料作为感光剂敏化T iO2,发现这些染料可以改善光生电子空穴对的电荷分离,从而改善了催化剂的可见光吸收.2.4 半导体复合半导体复合是提高T iO2光效率的有效手段.通过半导体的复合可以提高系统的电荷分离效率,扩展其光谱响应范围.从本质上说,半导体复合可以看成是一种颗粒对另一种颗粒的修饰.Sukharev等[26]将禁带宽度与TiO2相近的半导体ZnO与TiO2复合,因复合半导体的能带重叠使光谱响应得到发展;通过对ZnO/ TiO2、T iO2/CdSe、TiO2/PbS、T iO2/WO3等体系的研究表明,复合半导体比单个半导体具有更高的光活性. Gurunathan K等[27]将CdS(带隙2.4eV)和SnO2(带隙3.5eV)复合在可见光下制氢得到了更高的产氢率.3 T iO2纳米材料的应用随着对TiO2纳米材料研究的深入,T iO2纳米材料的应用范围也越来越广泛.其应用大致可以分为三个方面:光催化、光伏电池和分解水.3.1 光催化应用TiO2被认为是最有效率且对环境友好的光催化剂,其光催化机理是很容易理解的.当吸收光子的能量高于T iO2的带隙时,电子可以从半导体的价带激发到导带,形成电子空穴对.反应物水溶液中的水分子吸附在纳米粒子表面,然后其表面的空穴与溶解在粒子表面的水和氧气反应,产生氢氧自由基,氢氧自由基有极强的氧化能力,能氧化分解水中的大部分有机物和无机物,并使之转变为二氧化碳和水或其它无毒无机物.主要反应式如下:第2期王勇等:纳米T iO 2的制备及其改性和应用研究进展97T iO 2+he -+h +H ++H 2OH O +H +e -+O 2O -2O -2+H 2OH O 2 +OH -OH -+h +H O 有机物+H O 活性中间体CO 2+H 2O +其他产物利用T iO 2的光催化机理,TiO 2纳米材料已经广泛地用于光降解各种污染物[28].利用各种形式的T iO 2(如附着态TiO 2、多孔TiO 2薄膜等)为催化剂的光催化反应体系,在工业污水、染料废水、表面活性剂、农药废水、含油废水、氰化物、制药废水、有机膦化物等废水处理中,都能有效地进行光催化反应使其转化为H 2O 、CO 2、PO 3-4、NO -3、卤素离子等无机小分子,达到完全无机化的目的.T iO 2光催化降解水中有机物可以充分利用太阳能,这对于节约能源、保护环境、维持生态平衡、实现可持续发展具有重大意义.随着经济的发展和人们生活水平的提高,空气污染(特别是挥发性有机物VOC 污染)也越来越严重.TiO 2光催化氧化法在常温常压下就能将有机废气分解为H 2O 、CO 2和其他无机物,此法与传统的废气处理方法相比,具有反应过程快速高效,且无二次污染问题,因而具有很大的潜在应用价值.TiO 2光催化剂也可以用来杀菌,Kikuchi Y 等[29]用制备的T iO 2杀灭大肠杆菌,效果良好.为了杀灭和抑制细菌的生长,人们开发出了TiO 2抗菌涂料和瓷砖.T iO 2具有超亲水性和光催化性,使涂有T iO 2薄膜的玻璃同时具有自清洁和防雾的功能.Sakai H 等[30]把强氧化性的TiO 2溶液注入到老鼠的肿瘤上,然后进行光照,可以杀死肿瘤细胞[30].TiO 2可以杀死癌细胞的机理在于,TiO 2受光激发生成的H O 和O -2能够氧化癌细胞并引起癌细胞的死亡.3.2 TiO 2光伏电池基于T iO 2纳米晶体电极的光伏电池,尤其是染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSC)得到了广泛的研究[31].DSSC 电池的结构如图1所示.系统的中心是多孔的纳米晶体T iO 2薄膜,其表面是负责电子转移的单层染料.薄膜放入氧化还原电解液或有机空穴导体中.染料的激发将电子注入到T iO 2的导带中.电子被传导到外部电路驱动负载并创造电能.随后通过电解液提供电子使染料恢复初始状态,通常电解液含有氧化还原系统,像碘化物/三碘化物组合.碘化物阻止被氧化的染料夺回导带电子,从而使感光剂得以再生.通过还原对电极上的三碘化物可以使碘化物得以再生,通过外部负载的电子迁移,完成整个电路系统.图1 DSSC 太阳能电池示意图F ig.1 Schematic illustration of the structur e of a DSSC so lar cell TiO 2电极的结构和性质对DSSC 的性能起着重要作用.Zukalova M 等[32]用有序多孔TiO 2纳米晶体薄膜为电极制备的光伏电池,与用相同厚度的传统无序锐钛矿相TiO 2纳米晶体薄膜为电极制备的光伏电池相比,太阳能转化效率提高了50%.在光伏电池中用TiO 2纳米管做电极时,由于纳米管电极的电子密度更高,太阳能转化效率更高.在核壳结构的纳米多孔电极上,在T iO 2核的外面涂上Al 2O 3、Mg O 、SiO 2、ZrO 2或Nb 2O 5,能够改善染料敏化太阳能电池的性能.掺杂TiO 2纳米材料在DSSC 应用中也表现出了良好的性能.Lindgren T 等[33]用N TiO 2电极制备了光伏电池,在可见光和适度偏压的作用下,其光致电流与纯T iO 2电极相比增加了大约200倍.3.3 太阳能分解水自从1972年Fujishima 等[1]发现用T iO 2电极可以光催化分解水以来,科学家对光照下T iO 2分解水做了大量研究.用T iO 2纳米材料光催化分解水制H 2和O 2为人类进入清洁和经济能源社会提供了巨大机遇.化 学 研 究2010年98TiO2分解水的原理如下:当T iO2吸收光的能量大于带隙能时,导带和价带中分别产生电子和空穴.光生电子和空穴导致氧化还原反应.水分子被电子还原为H2,被空穴氧化生成O2,从而使水分解.由于快速的电子空穴再结合,在简单的水合悬浮液系统中纯T iO2不容易将水分解为H2和O2.因此,阻止电子和空穴的再结合是很重要的.添加牺牲试剂可以控制电子空穴再结合过程,从而提高光效率.Abe R 等[34]通过在分解水的实验系统中添加乙二胺四乙酸、Na2S等牺牲试剂,提高了产氢率.高度有序的TiO2纳米管阵列在紫外光下可以高效地分解水[35].纳米管壁厚是影响光阳极响应和分解水反应效率的关键参数.M or G K等[35]用制备的孔径22nm,壁厚34nm的T iO2纳米管做电极,在波长320~400nm、强度100mW/cm2的光照射下,产氢率为960 mo l/(h*W)(24m L/(h*W)),转化效率为6.8%.与纯T iO2纳米管阵列相比,Park J H等[36]在紫外光和可见光(>420nm)照射下,掺杂碳元素的TiO2-x C x纳米管阵列显示了更高的分解水效率.Oomm an K等[37]用制备的氮掺杂T iO2纳米管做电极,用Cu和Pt做催化剂,在太阳光照射下将CO2和水蒸气通过纳米管,最后生成了碳氢化合物.每克T iO2纳米管在太阳光下每小时生成160m L碳氢化合物,比以前在紫外光下的产率至少提高了20倍.4 总结与展望针对T iO2纳米材料的性质、合成、改性和应用,人们已经做了广泛的研究.随着TiO2纳米材料的合成和改性方面的突破,其性能得到不断地改善,新应用也不断的被发现.但从目前的研究成果看,可见光催化或分解水效率还普遍很低.因此如何通过对纳米T iO2的改性,有效地利用太阳光中的可见光部分,降低T iO2光生电子空穴对的复合机率,提高其量子效率是今后的研究重点.参考文献:[1]F ujishima A,H onda K.Elect rochemical photo lysis o f w ater at a semiconductor electro de[J].N ature,1972,238:37-38.[2]Jones A C,Chalker P R.So me 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PCZSis 纳米ric>2材料的制备及其光催化效能研究姚秉琳摘要环境问题已严重影响现代文明的发展，有机污染物具有持久性飾特点而长期威胁人类健康，开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一.纳米TiO：作为一种光催化材料，具有优异的物理和化学性质，因而被广泛应用和重点研究.文章从纳米TiO2能带结构和光催化反应机制出发，综述了TiO：在形貌可控制备及掺杂改性等方面的研究及其在光催化方面的应用，展望了TiO：光催化材料的发展方向.关键词纳来TiO：;光催化；制备方法；光催化效能中图分类号U283.5文献标识码A文章编号1674-6708(2019)230-0193-03随着我国改革开放的不断深入和社会主义市场经济体制的不断发展，我国的工业门类逐渐增多，各项工业的生产规模也在不断扩大。

然而，工业生产所引发的的废气、废液和废渣及固体垃圾等一直在加剧环境的恶化，环境自身很难完成对这些污染物的自行降解。

如何有效利用太阳能加速污染物的降解将会是解决环境问题的有效方法之一。

二氧化钛(俗称钛白粉)是一种无机半导体材料，属于两性氧化物，有其独特的光学、电学和催化性能等物理化学性质-1972年，Fujishima⑴在Nature发表文章称半导体二氧化钛单晶具有光解水的现象。

TiO?作为光催化法最重要的一种催化剂，一直被广泛使用。

二氧化钛具有金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型，其中以锐钛矿应用最为广泛。

锐钛矿TiO?禁带宽度约为3.2eV,能吸收太阳光中的紫外线，导致价带上的电子受激跃迁至导带，价带则相应的生成相同数目的空穴。

一方面，光生电子和空穴容易复合，从而降低光催化效率；另一方面，二氧化钛表面的电子和空穴会引发环境中氧气和水的活化而产生表面活性氧化物种，从而被广泛应用于有机污染物降解等领域。

TiO?纳米材料的形貌、离子掺杂及贵金属改性等均对其催化性能有着直接影响。

针对以上3个方面，本文从制备方法、能带结构和光催化效应机制等角度综述了TiO2纳米材料在光催化方面的应用。