1 溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛1

实验八溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛实验

一、 实验目的

1、掌握溶胶-凝胶法制备纳米粒子的原理;

2、了解TiO2纳米粒子光催化机理;

二、实验原理

溶胶－凝胶法Sol-Gel法是指无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化,再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法;

溶胶凝胶法制备TiO2纳米粒子是通过钛酸四丁酯的水解和缩聚反应来实现的,其分步水解方程式为：

TiORn+H2OTiOHORn-1+ROH

TiOHORn-1+H2OTiOH2ORn-2+ROH

……

反应持续进行,直到生成TiOHn.

缩聚反应：

—Ti—OH+HO—Ti——Ti—O—Ti+H2O

—Ti—OR+HO—Ti——Ti—O—Ti+ROH

最后获得氧化物的结构和形态依赖于水解与缩聚反应的相对反应程度,当金属-氧桥-聚合物达到一定宏观尺寸时,形成网状结构从而溶胶失去流动性,即凝胶形成;

三、原料及设备仪器

1、原料：钛酸正四丁脂分析纯、无水乙醇分析纯、冰醋酸分析纯、盐酸分析纯、蒸馏水

2、设备仪器：电磁搅拌器、恒温干燥箱、高温炉

四、实验步骤

以钛酸正丁酯TiOC4H94为前驱物,无水乙醇C2H5OH为溶剂,冰醋酸CH3COOH为螯合剂,从而控制钛酸正丁酯均匀水解,减小水解产物的团聚,得到颗粒细小且均匀的二氧化钛溶胶;

1、室温下量取10mL钛酸丁酯,缓慢滴入到35mL无水乙醇中,用磁力搅拌器强力搅拌10min,混合均匀,形成黄色澄清溶液A;

2、将2mL冰醋酸和10mL蒸馏水加到另35mL无水乙醇中,剧烈搅拌,得到溶液B,滴入2-3滴盐酸,调节pH值使pH=3;

3、室温水浴下,在剧烈搅拌下将溶液A缓慢滴入溶液B中;

4、滴加完毕后得浅黄色溶液,40℃水浴搅拌加热,约1h后得到白色凝胶倾斜烧瓶凝胶不流动;

5、置于80℃下烘干,大约20h,得黄色晶体,研磨,得到淡黄色粉末;

6、在600℃下热处理2h,得到二氧化钛纯白色粉体;

溶胶凝胶法制备SiO2工艺

溶胶凝胶法是一种常见的材料制备方法，具有制备过程简单、产物纯度高、粒度均匀等优点。在溶胶凝胶法制备SiO2工艺中，通过控制反应条件，可以制备出具有特定形貌、结构和性能的SiO2材料。本文主要探讨了溶胶凝胶法制备SiO2工艺的过程、实验结果及其应用，分析了该方法的优势和不足，并提出了改进意见。

实验主要采用了硅酸酯、氢氧化钠、去离子水等原料，将硅酸酯和氢氧化钠按一定比例混合，搅拌均匀后加入去离子水，继续搅拌得到溶胶。将溶胶在一定温度下干燥，得到干凝胶。将干凝胶在高温下焙烧，去除有机物，得到最终的SiO2产物。

实验过程中，通过控制溶胶时间、固化温度等因素，制备了一系列不同工艺参数的SiO2样品。采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段对样品的物相、形貌和粒度进行了表征。

实验结果表明，通过控制溶胶时间、固化温度等因素，可以制备出具有不同形貌和粒度的SiO2材料。当溶胶时间为60分钟、固化温度为400℃时，制备出的SiO2样品具有较高的纯度和良好的分散性。

XRD结果表明，制备的SiO2为结晶度良好的α-石英相。SEM表征显示，该条件下制备的SiO2粒子呈球形，粒度分布较窄。通过控制原料浓度、水解速率等因素，可以进一步调节SiO2的粒度和形貌。

通过溶胶凝胶法制备SiO2工艺，可以获得具有高纯度和良好分散性的SiO2材料。实验结果表明，溶胶时间和固化温度是影响SiO2形貌和粒度的关键因素。当溶胶时间为60分钟、固化温度为400℃时，制备出的SiO2样品具有最佳的性能。

然而，在实验过程中也发现了一些不足之处，如制备过程中有机物的挥发和残留可能会影响产品的纯度和性能。为了提高制备效率和产品质量，建议在后续研究中可以对原料浓度、水解速率等参数进行更加深入的探讨，并尝试通过优化工艺流程和添加剂的使用来改善产品的性能。

还可以进一步拓展溶胶凝胶法制备SiO2工艺的应用领域。由于SiO2具有优异的物理化学性能，如高透明度、低热膨胀系数等，可以将其应用于光学、电子、催化剂等领域。因此，对不同领域所需的SiO2材料的特定性能和要求进行深入研究，有助于推动溶胶凝胶法制备SiO2工艺的发展和应用。

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-- 南京信息工程大学

综合化学实验报告

学院：环境科学与工程学院

专业： 08应用化学

姓名： 章翔宇

潘婷

袁成

钱勇

2010年6月25号

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-- 纳米二氧化钛的制备及性质实验

1、实验目的

熟悉溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛的方法及相关操作；

理解二氧化钛吸附实验的原理和操作；

掌握数据处理的方法

2、溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛

2.1 需要的仪器

恒压漏斗、茄行烧瓶、量筒、移液管、铁架台、磁力搅拌、磁子、冷凝管、 温度计、 烘箱、研钵

2.2 需要的试剂

钛酸丁酯 异丙醇 浓硝酸 蒸馏水

2.3 实验步骤

1. 50ml钛酸丁酯溶16ml的异丙醇中，摇匀（在恒压漏斗中进行）

得到溶液A

2. 取200ml 的蒸馏水 ，加入0.32 ml 的浓硝酸，摇匀（在茄行烧瓶中进行），得到溶液B

3. 将烧瓶固定在铁架台上，进行磁力搅拌，将溶液A 逐滴滴加至溶液B中，使两溶液缓慢接触，并进行水解反应，得到溶液C

溶液C室温回流，记载下当时的室温

4. 回流分若干天进行，保证回流时间不少于48小时，得到溶液D

5. 蒸干方式：将溶液D进行水浴加热85度并不断搅拌 将水分蒸发干，得E

6. 将E放入烘箱100烘干

7. 研磨至粉末状；

2.4 实验结果

1、回流分4天进行，总计回流时间50小时，室温为15℃。

2、经研磨，得到白色细粉末状固体。称量得二氧化钛质量为11.233g,理论产量不小于11.785g，损失为产品转移过程中损失。

3、纳米二氧化钛性质实验

3.1 二氧化钛吸附试验

1、仪器：烧杯（500mL），容量瓶（1000mL），样品瓶（6个），电子天平，磨口瓶，超

声波清洗机，玻璃注射器，过滤器，分光光度计

2、试剂：二氧化钛粉末，染料X-3B（分子量615），蒸馏水

31技术应用与研究

一、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步：1.溶胶的制备。Ti(OR)4与水不能互溶，但与醇、苯等有机溶剂无限混溶，所以可先配制Ti(OR)4的醇溶液（多用无水乙醇）A，配制水的乙醇溶液B，并向B中添加无机酸（HCl，HNO3等）或有机酸（HAc或柠檬酸等）作水解抑制剂，也可加一定量NH3，将A和B按一定方式混合、搅拌得透明溶胶。2.溶胶-凝胶的转变。随着搅拌的进行，溶胶经过缩聚过程转变成湿凝胶。3.使湿凝胶转变成干凝胶。4.热处理。将干凝胶磨细，在一定温度下热处理，便可得到纳米TiO2。以Ti(OC4H9)4为原料，无水乙醇为溶剂，盐酸作水解抑制剂，按摩尔比为Ti(OC4H9)4:H2O:C2H5OH:HCl=1:(1～4):15:0.3，得到不同粒径和晶型的TiO2纳米晶。用溶胶-凝胶法制备了Pt掺杂的TiO2，得出在Pt含量为0.1% mol的时候光催化性能最好。溶胶-凝胶法(Sol-Gel)是目前研究应用最多的TiO2光催化剂的制备方法之一，溶胶-凝胶法制备纳米材料有如下优点为：（1）反应条件温和，成分容易控制；（2）工艺、设备简单；（3）产品纯度高，容易掺杂改性。在溶胶－凝胶过程中，溶胶由溶液制得。化合物在分子级水平混合，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致；颗粒细，胶粒尺寸小。该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分，不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液，经凝胶化、不溶组分可自然地固定在凝胶体系中，不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好；掺杂分布均匀，可溶性微量掺杂组分分布均匀，不会分离、偏析。它比醇盐水解法优越，粉末活性高。一般情况下，溶胶-凝胶法在室温合成无机材料，能从分子水平上设计和控制材料的均匀性，获得高纯、超细、均匀的纳米材料。二、水热法水热合成法是在特制的密闭反应容器里，采用水溶液或其他液体作为反应介质，通过对反应容器加热，反应环境使难溶或不溶的物质溶解，进而成核、生长、最终形成具有一定粒度和结晶形态的晶粒。水热法制备TiO2常采用固体粉末或新配制的凝胶作为前驱体，在内衬为耐腐蚀材料的密闭高压釜中加入制备纳米TiO2的前驱物，按一定的升温速率加热，升到预定温度后，恒温一段时间取出，冷却后经过滤、洗涤、干燥，即可得到纳米TiO2粉体。此法能直接制得结晶良好且纯度高的粉体，不需作高温灼烧处理，避免了粉体的硬团聚，而且通过改变工艺条件，可实现对粉体粒径、晶型等特性的控制。水热法是高温、高压下的反应，对设备要求高，操作复杂，能耗较大，因而成本偏高。 三、TiCl4直接水解法TiCl4直接水解法是将TiCl4先稀释到一定浓度，在表面活性剂存在下，再通入NH3或NH3·H2O，则TiCl4发生水解，沉析出TiO2·nH2O，过滤、干燥、煅烧得TiO2亚微粉或超微粉。为了控制粒度和粒度分布及团聚问题，有人向TiCl4稀释液中加醋酸、柠檬酸、草酸等，使之形成络合物，再加NH3中和水解，控制水解速度。该方法的优点是:工艺简单、反应条件温和，反应时间短，产品粒度均匀，分散性好。利用此法可以制得锐钛矿型、金红石型及其混合晶型。此方法原料易得，生产成本较低，易于实现工业化，但是需要经过反复洗涤来除去氯离子，存在工艺流程长、废液多、产物损失较大等缺点，而且完全洗去无机离子较困难。四、钛醇盐水解法在有分散剂存在并强烈搅拌下，对钛醇盐进行控制性水解，沉析TiO2.nH2O，然后经沉淀、过滤、干燥、热处理，容易得到高纯、分散性好的类球形TiO2亚微粉或超微粉。在NH4OH和氨水的缓冲溶液中进行钛丁醇盐水解，沉淀物用正丁醇进行非均相共沸蒸馏法处理，然后在450℃下热处理，得到了颗粒度小，分散性好，不易团聚的纳米TiO2。通过控制钛醇盐水解生成TiO2的胶体，然后再用胺盐与TiO2胶体反应，真空干燥后制备得到氮掺杂的TiO2。胺盐与胶体粒子的反应与粒子的粒径有关，当粒子为纳米级，尤其是小于10 nm时，氮分子很容易进入TiO2晶格，因此采用该方法能够提高氮的掺杂含量达到8%。所制备的催化剂在可见光区域仍然能够有效吸收，因此具有较高的可见光催化活性，通过低温下钛酸异丙酯在氨水中直接水解，然后焙烧的方法得到掺杂氮的TiO2。氮的掺杂在TiO2的价带上方形成了一个中间能级，提高了可见光的响应．但是作者认为氮掺杂的TiO2在可见光下降解有机物主要是通过水氧化或氧气还原产生的中间体进行反应，而不是直接与氮掺杂的中间能级所捕获的空穴反应。该方法合成的纳米粉体颗粒均匀、纯度高、形状易控制；缺点是成本昂贵，作为原料的金属有机物制备困难，合成周期长。此外还有微乳液法等，微乳液是指热力学稳定分散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，一般由表面活性剂、助表面活性剂、油和组成。由于微乳液的结构从根本上限制了颗粒的成长，因此它使超细微粒的制备变得容易。通超速离心，使纳米微粉与微乳液分离，再用有机溶剂除去附着在表面的油和表面活性剂，最后经干燥处理，即可得到纳米微粉的固体颗粒。该法所得产物粒径小且分布均匀，易于实现高纯化。其优点有：不需加热、设备简单、操作容易；可精确控制化学计量比，粒子可控。五、气相法主要包括化学气相沉积法、溅射法、钛醇盐气相分解法、蒸发-凝聚法等，另外还有很多的其他方法。综上，以上列举了纳米二氧化钛的制备方法。其中以钛酸四丁酯为钛源，无水乙醇为溶剂，冰醋酸为抑制剂，采用新型溶胶-凝胶法来制备TiO2纳晶光催化剂的方法。参考文献：[1]高濂,郑珊,张青红. 纳米氧化钛光催化材料及应用[M].北京:化学工业出版社,2005:260[2]刘华,胡文启.钛白粉的生产和应用[M].北京:科学技术文献出版社,1992, 77-86[3]Burda C., Lou Y., Chen X., et al. Enhanced nitrogen doping in TiO2 nanoparticles [J]. Nano Letters, 2003, 3:1049-1050纳米TiO2的制备方法张　玉 郑州工业技师学院【摘　要】纳米二氧化钛是一种重要的绿色环保材料，由于其光催化活性高、化学性质稳定、价格低廉而被广泛研究和应用。纳米二氧化钛的制备方法主要有溶胶-凝胶法、水热法、TiCl4直接水解法、钛醇盐水解法、气相法。【关键词】纳米二氧化钛；制备