流變相法制備銳鈦型納米二氧化鈦及其表征

侯帥帥 楊景紅

(淮南前景新材料有限公司,安徽 淮南 232008)

納米二氧化鈦作為一種新型的無機精細化工產(chǎn)品，具有比表面積大、表面活性高、光吸收性能好且吸收紫外線能力強等獨特的性能，廣泛用于陶瓷、塑料、橡膠、纖維、高檔涂料、傳感器材料、化妝品添加劑和環(huán)境工程等領(lǐng)域[1]。在生產(chǎn)生活中扮演了越來越多的角色。其中銳鈦型納米二氧化鈦以其優(yōu)異的光催化性能，在廢水處理、空氣凈化、抗菌等領(lǐng)域得到了良好應(yīng)用[2]。實驗室合成納米二氧化鈦的方法很多，歸納起來主要有：機械粉碎法、液相法(包括膠溶法、溶膠-凝膠法、醇鹽水解法、沉淀法等)、氣相法(包括氣相氧化法、氣相合成法、氣相熱解法、氣相氫火焰水解法等)等方法[3-6]。上述一系列制備方法中，有些設(shè)備比較昂貴，有些生產(chǎn)過程比較復(fù)雜，還有些原料本身比較貴，生產(chǎn)成本過高，有些不符合綠色化學的理念，不易推廣。所以尋找一個簡單高效的方案成為科研工作者追求的目標。

本實驗采用流變相法制備納米二氧化鈦。流變相法是一種合成納米氧化物的新型方法,在流變體系中原料顆粒在溶液的界面上會表現(xiàn)出很奇特的反應(yīng)特性,原料處于一種溶解與反應(yīng)并存的狀態(tài)即流變相態(tài),不僅可以使反應(yīng)物混合均勻,且不需要大量的溶劑[7]。具有工藝簡單、能耗低、成本低、適合規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。流變相法在鋰電池的電極研發(fā)中使用非常普遍。本文以硫酸氧鈦和苯甲酸為原料，采用流變相法制得銳鈦礦納米二氧化鈦，得到了令人比較滿意的結(jié)果。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

以硫酸氧鈦與苯甲酸為原料，制備納米二氧化鈦時先后發(fā)生如下反應(yīng)：流變相狀態(tài)下的硫酸氧鈦與苯甲酸在水熱條件下發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于水的前驅(qū)體苯甲酸鈦，然后將前驅(qū)體苯甲酸鈦放在馬弗爐中，設(shè)置溫度800 ℃煅燒2 h得到產(chǎn)物白色粉末狀納米二氧化鈦。

1.2 實驗藥品與儀器

硫酸氧鈦(分析純)，成都西亞化工股份有限公司；苯甲酸(分析純)，成都西亞化工股份有限公司；無水乙醇(分析純)，成都西亞化工股份有限公司；丙酮(分析純)，揚州市富齊化工有限公司；十二烷基苯磺酸鈉(分析純)，成都西亞化工股份有限公司；水為二次蒸餾水(自制)。

電熱鼓風干燥箱(DHG-202型)，紹興市上虞區(qū)滬越儀器設(shè)備廠；低速離心機(LC-LX-L50C型)上海力辰邦西儀器科技有限公司;高溫箱式電阻爐(XH 1L-14型)，鄭州鑫涵儀器設(shè)備有限公司。

用傅里葉變換紅外光譜儀(NEXUS-470型，Nicolet公司)對前驅(qū)體進行定性分析；用X射線衍射儀(Rigaku D/MAX-Ultima Ⅲ，日本理學)對樣品進行物相分析 ；用透射電子顯微鏡(JEM-2000型，日本JEOL公司)對樣品微觀形貌進行分析。

1.3 樣品的制備

準確稱取16 g(0.1 mol)硫酸氧鈦、24.4 g(0.2 mol)苯甲酸以及0.2 g十二烷基苯磺酸鈉(用做表面活性劑)于研缽中，將反應(yīng)物均勻混合且研成粉末狀，先加5 ml無水乙醇再加5 ml蒸餾水，邊加邊攪拌直至反應(yīng)物呈流變相態(tài)，然后將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯為聚四氟乙烯的反應(yīng)釜里，把反應(yīng)釜移入110 ℃烘箱中，恒溫反應(yīng)12 h，得到淡黃色粉末狀固體。將反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至離心管中用丙酮清洗3次，再用無水乙醇清洗3次，得到白色固體產(chǎn)物。將產(chǎn)物置于80 ℃烘箱中恒溫干燥4 h，即得反應(yīng)前驅(qū)體苯甲酸鈦，研磨后將前驅(qū)體苯甲酸鈦放在高溫變阻箱內(nèi)，800 ℃煅燒2 h得到白色粉末狀納米氧化鈦。

2 結(jié)果與討論

2.1 傅里葉-紅外光譜(FT-IR)分析

圖1為苯甲酸鈦的紅外光譜，由圖分析可以得出：在1 634 cm-1處的強吸收峰為苯甲酸鈦中苯環(huán)的伸縮振動峰[8]，1 396 cm-1為COO-的伸縮振動峰[9]，1 200 cm-1～1 000 cm-1為苯環(huán)上C-O面外伸縮振動吸收帶[10]，624 cm-1為Ti-O鍵的特征吸收峰[11]。根據(jù)上述分析可以得出結(jié)論：流變相法制備二氧化鈦的前驅(qū)體為苯甲酸鈦，純度較高。

圖1 前驅(qū)體苯甲酸鈦的紅外吸收光譜

2.2 X-射線衍射(XRD)分析

圖 2為納米二氧化鈦產(chǎn)品的X射線衍射圖，從圖中可以看出，樣品在2θ處的值分別為25.3、37.8、48.0、53.9、55.0、62.7、68.7、70.3、75.1處有衍射峰，與銳鈦型TiO2標準峰位基本一致，所以可以得出結(jié)論：產(chǎn)物為銳鈦礦二氧化鈦。而且它的衍射峰相當尖銳，說明結(jié)晶度良好，經(jīng)過計算可知二氧化鈦結(jié)晶度約為96.36%，結(jié)晶度很好。圖上無其它雜質(zhì)相存在，說明產(chǎn)物純度高；峰形較寬，表明顆粒尺寸非常細微。

圖2 樣品X-射線衍射(XRD)圖譜

2.3 透射電鏡(TEM)分析

圖3為樣品的 TEM 圖。由圖可知，所制得的二氧化鈦形貌清晰，顆粒分散均勻，粒徑約為2 nm。

圖3 樣品透射電鏡(TEM)圖譜

3 結(jié)論

(1) 流變相反應(yīng)法以硫酸氧鈦為原料能夠合成高純度的二氧化鈦前驅(qū)物苯甲酸鈦，流變相反應(yīng)法工藝簡單。

(2) 苯甲酸鈦在高溫熱分解對于制備納米二氧化鈦來說是一種簡便易行的綠色合成方法。

(3) 該方法所用原料無毒,操作簡單,產(chǎn)品純度高,具有一定的經(jīng)濟性，在工業(yè)生產(chǎn)中能夠在一定程度降低行業(yè)成本。