班 级 14－17011 学 号 14170110000
材料化学课程论文
题 目 纳米TiO2溶胶制备、性能与应用
学 院 先进材料与纳米科技学院
学生姓名 贾楠香
任课教师
贾 巧 英
摘要
O第一章
Ti2的基本性质与结构
一、TiO2基本性质
TiO2通常为白色粉末状，不溶于水、有机酸、弱无机酸，其微溶于碱。在浓硫酸与氢氟酸中长时间中煮沸可以完全溶解，在碳酸氢钾的饱和溶液中热敏性稳定，在1855oC以上处于熔融状态。
二、TiO2的结构
TiO2有板钛矿、锐钛矿、金红石三种不同晶型，它们的主要区别在于八面体结构内部扭曲和结合方式不同。
a.锐钛矿结构
b.金红石结构
第二章 纳米TiO2溶胶的制备
纳米TiO2的制备方法有很多，一种好的制备方法，要求其易操作、产率高，而且主要是制备出的纳米颗粒形貌和粒径分布可以控制，具有稳定性且分散性好（不团聚）。
按照制备时物质的存在状态，制备方法可以分为固相法、气相法、液相法、气相法。由于固相法本身的局限性，如杂质易混入，粒子易氧化或变形等原因，纳米TiO2的制备以液相法和气相法为主。
一、液相法 （1） 胶溶法
胶溶法合成纳米TiO2，一般以TiCl4或者TiSO42等无机钛盐为原料。通常工艺路线是将氨水、NH42SO4或者NaOH等碱类物质加入到钛盐溶液中，生成无定型的TiOH4；将生成的沉淀过滤、洗涤、干燥；再向TiOH4中加入酸溶液，搅拌、水浴，自然冷却得TiO2溶胶。 1.制备原理
TiOH44NH4Cl
TiCl44NH3H2OHTiO22H2O
TiOH42.实验装置
（a） 滴定装置 （b）洄流装置
3.纳米TiO2溶胶的制备过程
移取浓度为2.0mol/L的TiCl4溶液于的烧杯中，用蒸馏水稀释,并用磁力搅拌器搅拌,然后,在常温下将浓度为1:1的氨水缓慢均匀滴入。 为控制生成的的TiOH4粒径使在滴定过程中颗粒不至于过大,滴定速度不能太快滴定所用仪器为滴液漏斗。滴定过程中,用试纸检测反 应体系的值,待到值为7—8时停止滴加氨水。
继续用磁力搅拌器搅拌大约半小时,使水解反应完全,将反应所得白色沉淀真空抽滤机抽滤洗涤,直到用硝酸银溶液检验洗液中无白色沉淀TiOH4产生,这证明表面Cl的己经被洗涤干净,则得到所需的TiOH4。再向TiOH4中加入200mL的1.0mol/L硝酸溶液充分搅拌均匀,然后在80℃下恒温水浴2小时,自然冷却即得产物TiO2溶胶。
（2） 溶胶—凝胶法
其主要过程是有机醇盐先在过量水中快速水解,形成胶状沉淀,然后加入酸或碱解胶,使沉淀胶溶并分散成大小在胶体范围内的粒子,形成稳定的溶胶。
有机醇盐溶于溶剂中形成均相溶液,以保证有机醇盐水解反应在分子均匀的水平上进行。
有机醇盐先在过量水中快速水解,形成胶状沉淀,然后加入酸或碱解胶,使沉淀胶溶并分散成大小在胶体范围内的粒子,形成稳定的溶胶。
有机醇盐与水发生水解反应,同时发生失水和失醇缩聚反应,先在过量水中快速水解,形成胶状沉淀,然生成物聚集成粒子并形成溶胶经陈化,溶胶形成三维网络而形成凝胶；凝胶以除去残余水分、有机基团和有机溶剂,得到干凝胶。
干凝胶研磨后锻烧,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TiO2粉体。
（3）磁控溅射法
磁控溅射法是物理气相沉积的一种方法，它利用高能粒子(等离子体) 轰击所产生的动量交换，撞击出目标靶材表面的原子。被溅射出的原子流以一定的方向射向衬底，凝聚成镀层，进而实现薄膜材料在衬底上的沉积。
二、气相法
（1）气相氧化法制备纳米TiO2
气相氧化法法是以氧气为氧源,为原料,作为载气的氧化反应,该法制备纳米TiO2的原料易得,产品粒度细,单个颗粒分散性好,但副产品腐蚀性大,且温度高。
（2）气相合成法制备纳米TiO2
气相合成法是金属醇盐水解反应移至气相反应器中,将钦酸正丁酷 或其它钛的醇盐经喷雾和惰性气体冷激形成亚微米级的液滴,然后同水汽反应,在较低温度下合成了纯度高且单分散性能好的TiO2超细粒子。 （3） 气相氢火焰法制备纳米TiO2
以为TiCl4原料将气体在氢氧焰中进行高温水解而制得纳米TiO
2、TiCl
4、氢气与氧气混合气中,氢气体积浓度为15%—17%时,可以得到金
红石型纳米TiO2；当氢气体积浓度在17—30%之间时,可得到混晶型的纳米TiO2。
第三章 纳米TiO2的性能
一、纳米TiO2的电学性能
TiO2的介电常数较高，具有良好的电学性能表现。在对TiO2进行某些物理性质测定时，要考虑TiO2晶体的结晶方向。例如，金红石型的介电常数，随晶体的方向不同而不同，当与晶轴 c 轴平行时，测得的介电常数为180，与c轴呈直角时，其粉末状试样时的平均值为114。
染料敏化的纳米TiO2，在太阳光照射下，染料分子可与纳米TiO2直接作用，光生载流子转移速度加快，具有优异的光电转换特性。
二、纳米TiO2的光学性能
半导体的本征光吸收主要产生于电子在价带和导带间的跃迁。半导
体TiO2被认为当尺寸较小和孔隙较多时对光子的吸收会更强。
纳米TiO2具有直接光致电子跃迁和间接光致电子跃迁现象，且发光主要集中在蓝紫光谱区，有很好的荧光特性。
三、纳米TiO2的表面润湿性
固体表面的浸润性与表面自由能和粗糙度具有较高的相关性。当液滴到达固体表面，假如其能够润湿表面并向四周铺展，则表面具有亲水性能。
许多科研工作者对的亲水机理和改性性能提高进行了大量的研究。对于不同纳米TiO2晶型的，锐钛矿型纳米TiO2薄膜表面的亲水性比金红石型纳米TiO2的亲水性好的多，这是因为锐钛矿表面羟基浓度比较高，而且比较容易与水分子结合形成具有较高能量的氢键。如果制备纳米TiO2薄膜过程中掺入适量的SiO2溶胶，经光照射后其光诱导超亲水特性可以得到明显地提高。
第四章 纳米TiO2的应用
针对前面所提到纳米TiO2的性能，整理出TiO2有以下应用: （1） 关于TiO2在太阳能电池的应用
近年来，具有优越光电转换特性的多孔、大比表面积太阳能电受目，其中以光电效应工作的薄膜式太阳能电池的研究为主流工作。经研究染料敏化纳米TiO2太阳能电池的卓越性能，太阳光照射下，其光电转换效率达 12%，光电流密度在 12 m A/cm2以上，因 TiO2电极表面吸附的染料分子约为普通电极表面吸附数的 50 倍，且染料分子可与TiO2直接作用，导致光生载流子转移速度加快，故而具有优异的光电转换特性。自此，大量以TiO2为依托的光电转换研究迅速开展。
（2）关于纳米TiO2薄膜亲水特性应用
薄膜的亲水特性使其在众多领域有着广泛的应用前景，如抗雾性质，这种特性使TiO2 薄膜在玻璃幕墙、玻璃镜片、以及汽车的挡风玻璃和监视系统等方面具有广阔的应用前景。但TiO2由于的亲水性多在紫外光照射下才能被激发，撤去光源后亲水性能会在短时间内减弱的缺点制约了其实际应用。
（2） 关于纳米TiO2光催化性的应用 1.抗菌除臭
光催化剂对多种细菌具有抑制和杀灭的作用，如大肠杆菌、沙门氏菌、金色葡萄球菌等。当细菌被吸附在 Ti O2表面时，Ti O2受激跃迁产生的光生载流子经一系列作用会在表面生成超氧离子自由基和羟基自由基，这些具有强氧化性的基团可以穿透细菌的细胞壁、破坏细胞膜质，从而杀灭细菌并可以抑制细菌分解产生有臭味的有机物质。
这种光催化灭菌作用可以在光照结束一段时间后仍持续有效，因此可以用来净化空气或除臭。因此理论上，含有 Ti O2光催化剂的墙砖或地砖都应具有杀菌和消毒的功用，并且被寄希望于广泛应用在医院、精密实验室等这类有无菌要求的场所。 2.
