第一篇:添加二氧化鈦氧化鋁的燒結(jié) 英文翻譯
添加二氧化鈦氧化鋁的燒結(jié)
CH婷,UNIVERSITI 國(guó)家能源陣,馬來(lái)西亞 C。華譚,UNIVERSITI 國(guó)家能源陣,馬來(lái)西亞 S.拉梅什*,UNIVERSITI 國(guó)家能源陣,馬來(lái)西亞
WD騰,SIRIM Berhad公司,馬來(lái)西亞
摘要
二氧化鈦(TiO2)添加劑對(duì)氧化鋁(Al2O3)燒結(jié)的影響進(jìn)行了研究。在本研究中,在空氣中從1250℃至1600℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)制備了樣品。對(duì)燒結(jié)體進(jìn)行了測(cè)試,以確定體積密度、硬度和楊氏模量。結(jié)果表明,所有摻雜TiO2的樣品比未摻雜的樣品具有較高的堆積密度。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,堆積密度逐漸增大。在1450℃下,最大值為摻雜有1.0 wt%的TiO2 燒結(jié)的樣品,堆積密度達(dá)到3.9米Mgm-3。該研究顯示,所需添加劑的最佳用量為1 wt%,燒結(jié)體呈現(xiàn)最高的楊氏模量為381 GPa和維氏硬度比為16.5 GPa,未摻雜的氧化鋁的楊氏模量為256.7 GPa和維氏硬度比為11.2 GPA。摻雜氧化鈦是改善的Al2O3的致密化,而不會(huì)影響機(jī)械性能的一個(gè)經(jīng)濟(jì)的方法。關(guān)鍵詞: 氧化鋁,氧化鈦,燒結(jié),力學(xué)性能
1引言
氧化鋁是最成熟的工程陶瓷,具有高硬度、良好的耐磨性和優(yōu)良的電絕緣性能,但具有相對(duì)較低的強(qiáng)度以及斷裂韌性。例如,高純度的氧化鋁已被設(shè)計(jì)作為一種替代外科金屬合金為全髖關(guān)節(jié)假體和牙植入非常堅(jiān)韌,是生物惰性組分[1]。在整形外科應(yīng)用的關(guān)節(jié)方面,由于氧化鋁高硬度,低摩擦系數(shù)和優(yōu)異的耐腐蝕性。其提供了一個(gè)非常低的磨損率。
研究提高機(jī)械性能,如斷裂韌性和強(qiáng)度的已取得進(jìn)展。該方法一直是試圖控制微結(jié)構(gòu),如晶粒尺寸和晶界相[2,3],或添加第二相(例如,球形顆粒,血小板,纖維或晶須)[4,5]。例如,已經(jīng)報(bào)道了納米尺寸的碳化硅顆粒-增強(qiáng)的氧化鋁復(fù)合材料改進(jìn)了機(jī)械,如抗彎強(qiáng)度(350-1050兆帕)和斷裂韌性(3.5-4.7 MPa.m 1/2)特性相比單片氧化鋁[6-8]。但是這種方法有一個(gè)缺點(diǎn),因?yàn)樗枰褂脡毫o助燒結(jié)方法,例如熱壓或熱等靜壓可以是資本密集型的。
另一種經(jīng)濟(jì)的技術(shù),以改善的致密化 的Al 2 O 3 由無(wú)壓燒結(jié)是通過(guò)將適當(dāng)?shù)牡蜏責(zé)Y(jié)的添加劑,例如二氧化鈦。這種添加劑會(huì)融化在相對(duì)較低的溫度,從而促進(jìn)顆粒固結(jié)到迅速進(jìn)行,而無(wú)需施加壓力。在本文中,報(bào)告對(duì)氧化鋁燒結(jié)行為加入少量的二氧化鈦(TiO 2 的)的影響。2,方法和材料
在作為接收的市售原料為:99.8%純的Al 2 O 3(共立有限公司,日本)和99.99%純度的氧化鈦(TiO 2)在本研究中使用?;瘜W(xué)分析和氧化鋁粉末的性質(zhì)示于表1中。
表1 特性的原料氧化鋁粉末。
在本工作中,TiO 2 的范圍從0.05?5重量%被并入氧化鋁粉末通過(guò)濕法研磨技術(shù)。濕漿料進(jìn)行干燥,粉碎和篩分,得到的細(xì)粉。綠色的樣品進(jìn)行了單軸壓實(shí)在2.5-3.0兆帕接著進(jìn)行冷等靜壓,在200兆帕制成。綠色的樣品在溫度采用10℃/ min的升溫速率從1250℃到1600℃無(wú)壓燒結(jié)在空氣中。和2小時(shí)保溫時(shí)間。所有燒結(jié)樣品進(jìn)行拋光,以測(cè)試前一個(gè)1微米的表面光潔度。燒結(jié)試樣的堆積密度按水浸法(梅特勒-托利多,瑞士)進(jìn)行測(cè)定。用維氏壓痕法(松澤,日本)測(cè)定硬度。壓痕載荷(<300克)施加并保持在適當(dāng)位置,持續(xù)10秒。三個(gè)壓痕對(duì)于每個(gè)樣品取平均值進(jìn)行了。(:MK5“工業(yè)”,比利時(shí)GrindoSonic)楊氏模量(E)由聲波共振使用商業(yè)測(cè)試儀器長(zhǎng)方形的樣品進(jìn)行測(cè)定。彈性或楊氏模量的彈性模量進(jìn)行了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定的諧振頻率[9]。3結(jié)果與討論
在氧化鋁陶瓷的體積密度的TiO 2 摻雜的影響示于圖 1,這可以從圖中觀察到的總的趨勢(shì)。圖1是氧化鋁陶瓷的體積密度增加,燒結(jié)溫度范圍從1250℃至1500℃的最含有多達(dá)5.0重量%的TiO 2 的樣品的同時(shí)將未摻雜的樣品表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)中密度高達(dá)1600℃的溫度C.堆積密度為摻雜1.0%(重量)的TiO 2 樣品保持不變,即使從1400℃的溫度進(jìn)一步升高 在未摻雜的樣品的相對(duì)密度低,即?理論密度時(shí),在1400℃下燒結(jié),61.4%,然而,顯著隨著燒結(jié)溫度來(lái)?時(shí),在1600℃下燒結(jié)理論密度的97.8%增加
與此相反,圖 圖1示出了另外的TiO 2 的高達(dá)5%(重量)確實(shí)是有益的添加Al 2 O 3 的致密化在低溫下燒結(jié)。例如,人們發(fā)現(xiàn),所有這些都被燒結(jié)在1450℃下在TiO 2 摻雜的樣品,如果相比于未摻雜的陶瓷86.8%達(dá)到相對(duì)密度在96%以上,如表2,另外,如圖所示。1,即在Al 2 O 3 含有多達(dá)1.0重量%的TiO 2達(dá)到的恒定密度?3.9 MGM-3后1450℃下燒結(jié),如果相比于1600℃下在未摻雜的陶瓷來(lái)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的密度/結(jié)果表明,二氧化鈦的Al 2 O 3 的在較低溫度下 2 促進(jìn)致密化。
表2。相對(duì)容重氧化鋁陶瓷方面的TiO2添加的。
圖1。堆積密度的變化作為燒結(jié)溫度的函數(shù)。的TiO 2 的摻雜對(duì)氧化鋁陶瓷的硬度的影響,提出了圖。2,TiO 2 的摻雜的氧化鋁樣品的硬度時(shí),在1250℃下燒結(jié)的被發(fā)現(xiàn)是比未摻雜的樣品(如測(cè)得的硬度為6.4 GPA為5.0重量%的TiO 2 摻雜的樣品相比的更高約1.1 GPA對(duì)于未摻雜樣品)??傮w而言,所有樣品的硬度隨燒結(jié)溫度和未摻雜的氧化鋁陶瓷達(dá)到大約為18GPa的硬度隨著燒結(jié)溫度提高到 1600℃。
但是,當(dāng)在1500℃下燒結(jié),而2.0%(重量)TiO 2的硬度2摻雜在1400℃下輕微下降的TiO 2 摻雜的樣品為0.5%(重量)和1.0%(重量)的硬度下降 上述16 GPA最高的硬度達(dá)到了為0.5%(重量),當(dāng)在1450℃下燒結(jié)1.0重量%的TiO 2摻雜的氧化鋁陶瓷
圖2 TiO2和燒結(jié)溫度對(duì)Al2O3的維氏硬度的影響。的楊氏模量,燒結(jié)體的燒結(jié)溫度和TiO 2 的增加之間的關(guān)系示于圖 3。
圖3。TiO 2 和燒結(jié)溫度對(duì)楊氏模量的Al 2 O 3 的效果。
在一般情況下,在所有研究的組合物的楊氏模量的變化示出了隨燒結(jié)溫度有類(lèi)似的趨勢(shì)。這可以從圖制成的一般觀察。圖3是摻雜有對(duì)楊氏模量的氧化鋁陶瓷的良好效果,即摻雜的樣品的模量一般比的未摻雜更高無(wú)論燒結(jié)溫度的。TiO 2為特別為1重量%的添加量在提高楊氏模量的有益效果已經(jīng)顯現(xiàn)出來(lái)。楊氏模量增加至381 GPA的最大值,然后當(dāng)在1500℃燒結(jié)輕微下跌至379?GPA 楊氏模量的變化趨勢(shì)與堆積密度的趨勢(shì)相一致,如圖所示。1。
4結(jié)論
添加少量的鈦氧化物高達(dá)5%(重量)的已被發(fā)現(xiàn)有益于幫助氧化鋁陶瓷的燒結(jié)。所有的TiO 2摻雜的Al 2 O 3能在低溫下,例如1450℃下燒結(jié),獲得上述理論密度的96%,如果相比于未摻雜陶瓷的86.8%。加入TiO 2為1.0%(重量)被認(rèn)為是最有益的,因?yàn)樵摌悠繁憩F(xiàn)出的16.49 GPa和楊氏模量為381.2 GPA最高的硬度時(shí),在1450℃下燒結(jié) 目前的工作已證明在經(jīng)濟(jì)方面和摻入少量的TiO 2 在尋求幫助氧化鋁的致密化在低溫下沒(méi)有顯著影響其他性能,如硬度的潛力。
致謝
筆者想感謝科技部,技術(shù)和創(chuàng)新馬來(lái)西亞(MOSTI)根據(jù)科學(xué)基金項(xiàng)目編號(hào)03-02-03-SF0011提供的財(cái)政支持。此外,在開(kāi)展這項(xiàng)研究提供UNITEN和SIRIM Berhad公司的支持表示感謝。
參考
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第二篇:二氧化鈦納米材料的制備
二氧化鈦納米材料的制備
陳維慶
(貴州大學(xué)礦物加工工程082班
學(xué)號(hào):080801110323)
摘要:二氧化鈦俗稱(chēng)鈦白,是鈦系列重要產(chǎn)品之一,也是一種重要的化工和環(huán)境材料。目前制備納米二氧化鈦的方法很多,本文綜述了納米二氧化鈦的多種制備方法和生產(chǎn)原理,在總結(jié)歸納基礎(chǔ)上對(duì)各種制備方法進(jìn)行比較,概述相關(guān)的研究進(jìn)展。
關(guān)鍵詞:二氧化鈦
納米粒子
生產(chǎn)原理
Titanium dioxide nanomaterials preparation
Chenweiqing
(Guizhou University mineral processing project 082 classes)Abstract: Titanium dioxide, commonly known as titanium dioxide, titanium series is one of the major product, is also an important chemical and environmental materials.Preparation of nanometer titanium dioxide at present a number of ways, this overview of the variety of preparation methods of nano-titanium dioxide and production principle, on the basis of summarizing and to compare various methods of preparation, review of related research progress.Keyword: Titanium dioxide Nanometer granule Production principle 1 前言
近20年來(lái),納米材料以其特殊的性能和廣闊的發(fā)展前景引起各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。是極具挑戰(zhàn)性、富有活力的新科技,它對(duì)社會(huì)發(fā)展有著重要意義,對(duì)人類(lèi)的進(jìn)步有著深遠(yuǎn)影響。納米材料可以理解為組成物質(zhì)的顆粒達(dá)到納米數(shù)量級(jí)也就納米粒子。納米粒子是處于微觀粒子和宏觀粒子之間(1~100 nm)的介觀系統(tǒng)。目前,納米科技產(chǎn)品的研發(fā)已經(jīng)拓展到力學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料科學(xué)以及建筑、紡織、輕工等領(lǐng)域。
納米材料及技術(shù)是科技領(lǐng)域最具活力、研究?jī)?nèi)涵十分豐富的科學(xué)分支。納米材料包含納米超微粒子(1~100 nm)以及由納米超微粒子所制成的材料。納米超微粒子以其顯著的表明效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等一系列新穎的物理和化學(xué)特性,在眾多領(lǐng)域特別是在光學(xué)材料、電磁材料、催化劑、傳感器、醫(yī)學(xué)及生物工程材料等眾多領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。目前,為了提高涂料性能并賦予其特殊功能,將納米材料用來(lái)改性涂料劑或作為助劑添加到涂料材料當(dāng)中,是涂料產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。改性涂料材料所使用的納米材料一般為納米半導(dǎo)體材料,如納米SiO2、TiO2、ZnO、Fe2O3、CaCO3等。
二氧化鈦納米材料(TiO2)是當(dāng)前應(yīng)用前景最為廣闊的一種納米材料,超微細(xì)二氧化鈦具有屏蔽紫外線(xiàn)功能和產(chǎn)生顏色效應(yīng)的一種透明物質(zhì)。2 液相法 2.1 溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是一種較為重要的制備納米材料的濕化學(xué)法,主要包括4個(gè)步驟:
第一步:溶膠。Ti(OR)4與水不互溶,但與醇、苯等有機(jī)溶劑無(wú)限混溶,所以先配制Ti(OR)4的醇溶液(多用無(wú)水乙醇)A,再配制水的乙醇溶液B,并向B中添加無(wú)機(jī)酸(HCl,HNO3等)或有機(jī)酸(HAc、H2C2O4或檸檬酸等)作水解抑制劑(負(fù)催化劑),也可加一定量NH3將A和B按一定方式混合、攪拌得透明溶液。
第二步:溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變制濕凝膠。
第三步:使?jié)衲z轉(zhuǎn)變?yōu)楦赡z。
工業(yè)出版社,2006,1:第四步:熱處理。將干凝膠磨細(xì),在氧化性氣氛中在一定溫度下熱處理,便可得到<100 nm 的納米TiO2
溶膠-凝膠法制備TiO2納米材料可以很好地?fù)诫s其它元素,粉末粒徑小,分布均勻,是非常有價(jià)值的制備方法。但由于要以鈦醇鹽作為原料,又要加入大量的有機(jī)試劑,因此成本高,同時(shí)由于凝膠的生成,有機(jī)試劑不易逸出,干燥、燒結(jié)過(guò)程易產(chǎn)生碳污染,另外,對(duì)于困擾已久的團(tuán)聚問(wèn)題,局部表面化學(xué)反應(yīng)、機(jī)械化學(xué)反應(yīng)及用表面活性劑或聚合物包覆等都不能從根本上解決。2.2 沉淀法
以廉價(jià)易得的TiCl4或Ti(SO4)2 等無(wú)機(jī)鹽為原料,向反應(yīng)體系加入沉淀劑后,形成不溶性的Ti(OH)4,然后將生成的沉淀過(guò)濾,洗去原溶液中的陰離子,高溫煅燒即得到所要的納米二氧化鈦材料。1 直接沉淀法
在含有一種或多種離子的可溶性鹽溶液加入沉淀劑后于一定的條件下形成不溶性的氫氧化物;將沉淀洗滌、干燥,再經(jīng)熱分解得到氧化物粉體,其反應(yīng)過(guò)程為(以TiOSO4為例):
TiOSO4 + 2NH3·H2O=TiO(OH)2 +(NH4)2SO4
TiO(OH)2 =TiO2(S)+ H2O
該法操作簡(jiǎn)單,對(duì)設(shè)備、技術(shù)要求不太苛刻,產(chǎn)品成本較低,但沉淀洗滌困難。產(chǎn)品中易引入雜質(zhì)。2 均勻沉淀法
該法是利用某一化學(xué)反應(yīng)使溶液中的構(gòu)晶離子由溶液中緩慢均勻地釋放出來(lái)。加入的沉淀劑不立刻與沉淀組分發(fā)生反應(yīng),而是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使沉淀劑在整個(gè)溶液中緩慢生成。以尿素做沉淀劑為例,其反應(yīng)原理如下:
CO(NH2)2 +3H2O = CO2+2NH3·H2O
TiOSO4 + 2NH3·H2O=TiO(OH)2 +(NH4)2SO4
TiO(OH)2 =TiO2(S)+ H2O 水熱沉淀法
在內(nèi)襯耐腐蝕材料(如聚四氟乙烯)的密閉高壓釜中加入制備納米二氧化鈦的前驅(qū)物如TiCl4、Ti(SO4)2等,按一定的升溫速率加熱,升至一定溫度后,恒溫一段時(shí)間取出,冷
卻后經(jīng)過(guò)濾、洗滌、干燥,可得TiO2納米材料粉體。水熱法制備TiO2納米材料粉體,第一步是制備鈦的氫氧化物凝膠,反應(yīng)體系有T、氨水或鈦醇鹽、水等;第二步是將凝膠轉(zhuǎn)入高壓釜內(nèi),升溫(溫度一般低于250℃)造成高溫、高壓的環(huán)境,使難溶或不溶得物質(zhì)溶解并且重結(jié)晶,生成TiO2納米材料粉體。此法能直接制得結(jié)晶良好且純度高的粉體,不需要作高溫灼燒處理,避免了粉體的硬團(tuán)聚,而且通過(guò)改變工業(yè)條件,可實(shí)現(xiàn)對(duì)粉體粒徑、晶型等特性的控制。然而水熱法是高溫、高壓下反應(yīng),對(duì)設(shè)備要求高,操作復(fù)雜,能耗較大,因此成本也較高。2.3 TiCl4直接水解法
將TiCl4直接注入水中,先稀釋到一定濃度,在表面活性劑存在下,再通入NH3或NH3·H2O,則TiCl4發(fā)生水解沉淀析出TiO2·n H2O過(guò)濾、干燥、煅燒得TiO2亞微粉或超徽粉。反應(yīng)式為: TiCl4 + 4 NH3 +(n+2)H2O = TiO2·n H2O+4NH4Cl 為了控制粒度和粒度分布及反團(tuán)聚,也有的向TiCl4稀釋液中加醋酸、檸檬酸、草酸或H2O2,使石TiO2+形成絡(luò)合物,再加NH3中和水解,這樣可控制水解速度。
該方法的優(yōu)點(diǎn)是:工藝簡(jiǎn)單,反應(yīng)條件溫和且反應(yīng)時(shí)間短,產(chǎn)品粒度均勻,分散性好,粒尺寸人為可控.可以制得銳敏型、金紅石型及混合晶型,原料易得,生產(chǎn)成本較低,易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。但是此方法需要經(jīng)過(guò)反復(fù)洗滌來(lái)除去氯離子,所以存在工藝流程長(zhǎng)、廢液多、產(chǎn)物損失較大的缺點(diǎn),而且完全洗凈無(wú)機(jī)離子較困難。2.4 鈦醇鹽水解法
在有分散劑存在并強(qiáng)烈攪拌下,對(duì)鐵醇鹽進(jìn)行控制性水解,沉析出TiO2·n H2O沉淀,過(guò)濾、干燥、熱處理,容易得到高純、微細(xì)、單分散的類(lèi)球形TiO2亞微粉或超微粉。該方法合成的納米粉體顆粒均勻。純度高,形狀易控制,缺點(diǎn)是成本昂貴,作為原料的金屬有機(jī)物制備困難,合成周期長(zhǎng)。2.5膠溶法
該法可制備各種組分的氧化物陶瓷粉體且制得的產(chǎn)品粒徑小,粉體分散性好,粒度可控,但易發(fā)生粒子間團(tuán)聚現(xiàn)象,成本也較高。這種工藝制備凝膠的方法與溶膠-凝膠法相似,但是利用膠溶原理,縮短了制備流程,省去耗能多的高溫煅燒過(guò)程,從而避免了因燒結(jié)而引起的納米粒子之間的硬團(tuán)聚。2.6 微乳液法
微乳液是指熱力學(xué)穩(wěn)定分散的互不相溶的液體組成的宏觀上均一而微觀上不均勻的液體混合物,一般由表面活性劑、助表面活性劑(通常為醇類(lèi))、油(通常為碳?xì)浠衔铮┖退?或電解質(zhì)溶液)組成。由于微乳液的結(jié)構(gòu)從根本上限制了顆粒的成長(zhǎng),因此使得超細(xì)微粒的制備變得容易。通過(guò)超速離心,使納米微粉與微乳液分離。再以有機(jī)溶劑除去附著在表面的油和表面活性劑,最后經(jīng)干燥處理,即可得到納米微粉的固體顆粒。該法所得產(chǎn)物粒徑小且分布均勻。易于實(shí)現(xiàn)高純化。該法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)不需加熱、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易;(2)
可精確控制化學(xué)計(jì)量比,粒子可控。3 氣相法
3.1 低壓氣體蒸發(fā)法
此種制備方法是在低壓的氫氣、氮?dú)獾惹樾詺怏w中加熱普通的TiO2,然后驟冷生成納米TiO2粉體。其加熱源有電限加熱法、等離子噴射法、高頻感應(yīng)法、電子束法和激光法,可制備100 nm以下的TiO2粒子。3.2 活性氫-熔融金屬反應(yīng)法
含有氫氣的等離子體與金屬鈦之間產(chǎn)生電弧,使金屬熔融,電窩的N2、Ar等氣體和H2溶入熔融金屬,然后釋放出來(lái),在氣體中形成了金屬的超微粒子,用離心收集器過(guò)濾式收集器使微粒與氣體分離而獲得TiO2納米材料微粒。3.3 流動(dòng)頁(yè)面上真空蒸發(fā)法
用電子束在真空下加熱蒸發(fā)TiO2,蒸發(fā)物落到旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)下表面油膜上,通過(guò)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)的離心力在下表面上形成流動(dòng)的油膜,含有超微粒子的油被甩進(jìn)了真空室的壁面,然后在真空下進(jìn)行蒸餾獲得TiO2納米材料超微粒子。3.4鈦醇鹽氣相水解法
該工藝反應(yīng)式如下:
nTi(OR)4+2nH2O(g)= nTiO2(s)+4nROH 日本的曹達(dá)公司等利用氮?dú)?、氦氣或空氣做載氣,把鈦醇鹽和水蒸汽分別導(dǎo)入反分器的反應(yīng)區(qū),進(jìn)行瞬間和快速水解反應(yīng),通過(guò)改變反應(yīng)區(qū)內(nèi)各種蒸汽的停留時(shí)間、摩爾比、流速、濃度以及反應(yīng)溫度來(lái)調(diào)節(jié)納米TiO2粒徑和粒子形狀,這種工藝可獲得平均原始粒徑為10~150nm,比表面積為50~300m2·g-l的非晶形TiO2納米材料粒子。其工藝特點(diǎn)是操作溫度較低,能耗小,對(duì)材質(zhì)要求不是很高。并且可以連續(xù)化生產(chǎn)。3.5 TiCl4高溫氣相水解法
該法是將TiCl4氣體導(dǎo)人高溫的氫氧火焰中進(jìn)行氣相水解,其化學(xué)反應(yīng)式為;
TiCl4(g)+2 H2(g)+ O2(g)= TiO2(g)+ 4HCl(g)該工藝制備的納米粉體產(chǎn)品純度高,粒徑小。表面活性大,分散性好,團(tuán)聚程度較小。其工藝特點(diǎn)是過(guò)程較短,自動(dòng)化程度高。但因其過(guò)程溫度較高.腐蝕嚴(yán)重、設(shè)備材質(zhì)要求較嚴(yán),對(duì)工藝參數(shù)控制要求準(zhǔn)確,因此產(chǎn)品成本較高,一般廠家難以接受。3.6 鈦醇鹽氣相分解法 電阻爐熱裂解法
nTi(OC4H9)4(g)= nTiO2(s)+2nH2O(g)+ 4nC4H8(g)
反應(yīng)溫度一般控制在500一800 ℃,所得TiO2粒徑<100 nm,此法容易獲得銳鈦型或混晶型TiO2。
2激光誘導(dǎo)熱解法
用聚焦脈沖CO2激光輻照TiCl4 + O2體系,在聚焦輻照的高溫條件下(焦點(diǎn)區(qū)最高溫度
達(dá)1000 ℃以上),獲得了非晶態(tài)TiO2,其微觀結(jié)構(gòu)是絮狀,內(nèi)部疏松,是微小顆粒無(wú)序堆積的”疏松體”,其比表面積大,吸附能力強(qiáng),反常的是在乙醇中易分散,在水中卻不易分散
3.7 TiCl4 氣相氧化法
利用氮?dú)鈹y帶帶TiCl4蒸汽,預(yù)熱到435℃后經(jīng)套管?chē)娮斓膬?nèi)管進(jìn)人高溫管式反應(yīng)器.O2預(yù)熱到870℃后經(jīng)套管?chē)娮斓耐夤芤策M(jìn)入反應(yīng)器,二者在900~1400℃下反應(yīng)生成的TiO2微粒經(jīng)粒子捕集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)氣固分離。該工藝目前還處于試驗(yàn)階段,其優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高,可制備優(yōu)質(zhì)粉體。
TiCl4(g)+O2(g)=TiO2(g)十2Cl2(g)
nTiO2(g)= nTiO2(s)3.8 蒸發(fā)-凝聚法制納米TiO2
將平均粒徑為3 μm的工業(yè)TiO2軸向注人功率為60 kW的高頻等離子爐的Ar-O2混合等離子矩中,在大約10000 K的高溫下,粗粒子TiO2汽化蒸發(fā),進(jìn)人冷凝膨屈長(zhǎng)罐中降壓、急冷得10~50 nm 的TiO2納米材料。4 其他方法
4.1 超重力法制備納米TiO2
主要包括水合TiO2懸濁液的制備和TiO2晶體緞燒成型2個(gè)過(guò)程:(1)將一定量的TiCl4在冰水浴中緩慢溶解于去離子水中,防止溫度過(guò)高自發(fā)水解,再將溶液倒入帶刻度的容器中標(biāo)定濃度,將配好的溶液倒人到儲(chǔ)槽內(nèi),啟動(dòng)離心泵將其泵人旋轉(zhuǎn)填充床中,待流速穩(wěn)定后擴(kuò)通入氨氣開(kāi)始反應(yīng),用調(diào)頻變運(yùn)勝導(dǎo)導(dǎo)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,當(dāng)pH值達(dá)到設(shè)定值時(shí)停止通入氨氣,中止反應(yīng),并從出出口得到產(chǎn)物漿料,此料液便是水合TiO2懸浮液。(2)對(duì)懸浮液進(jìn)行真空抽濾、濾餅洗滌、100℃干燥、鍛燒等后續(xù)工藝處理,得到納米TiO2粉體。4.2 超臨界相法(SC法)
溶液中合成超細(xì)TiO2分別是在3個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器中完成的,這些反應(yīng)器填充了近臨界密度的異丙醇和0.4mol·L-1的醇鈦鹽溶液。乙醇和異丙醇的臨界溫度Tc分別為241℃和238.4℃,與醇鈦鹽氣相熱解的溫度Tc = 265℃相差不遠(yuǎn),特別適合作臨界相流體,臨界相流體有近似液體的密度和高溶劑能,但低的粘度和高擴(kuò)散率幾乎與氣體接近,這些性質(zhì)有利于分子碰撞且能夠增加反應(yīng)動(dòng)力,能產(chǎn)生高的成核率。此法溶液濃度很低.可以避免粒子間的進(jìn)一步凝集,低壓下超臨界溶液作為氣體被除去,得到了于燥的粉末,不再需要液固的分離步驟。
將異丙醇-異丙醇鈦鹽溶液在280℃加熱2 h反應(yīng)即可完全,這與醇鈦鹽氣相熱解溫度相近,由超臨界法所得固體為銳欽型結(jié)構(gòu)。粒徑為30~60 nm,熱處理后不發(fā)生結(jié)塊。而用氣相熱分解法制TiO2,最初所得晶粒很好(<20 nm),但最終強(qiáng)烈結(jié)塊。超臨界法同溶膠-凝膠法比較,免除了沉淀與干燥步驟,在緞燒過(guò)程之前,不需要進(jìn)一步熱處理。SC法制的銳鈦型TiO2較溶膠一凝膠法制的銳欽型穩(wěn)定,例如,SC,900℃加熱4 h,20%為金紅型TiO2;
溶膠一凝膠法.600℃加熱4 h.,20%為金紅型TiO2。4.3其它方法
惰性氣體原位加壓法(IGC)、噴涂-電感耦合等離子體法、高頻等離子化學(xué)相沉積法(RF-PCVD)等等。5 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,TiO2納米材料的制備方法很多,大約二十種左右,就目前而言,這些制備方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。此外,根據(jù)TiO2納米材料的用途的不同。其制備方法也有差異。隨著現(xiàn)代高新科技的開(kāi)發(fā),TiO2納米材料的制備方法將會(huì)越來(lái)越多,而且在制備工藝上一集能耗上將會(huì)越來(lái)越優(yōu)越。在研究制備工藝的同時(shí),改進(jìn)現(xiàn)有的合成工藝.尋求粉體質(zhì)量好、操作簡(jiǎn)便且易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)、成本低廉的合成新工藝,應(yīng)該是努力的目標(biāo)。對(duì)納米粉末微觀結(jié)構(gòu)的研究還有待于進(jìn)一步深入,對(duì)TiO2納米材料徽粉特有的化學(xué)、物理機(jī)械性能,應(yīng)從理論、徽觀結(jié)構(gòu)人手,研究它們產(chǎn)生的機(jī)理。總之,隨著納米材料體系和各種超結(jié)構(gòu)體系研究的開(kāi)展和深人,TiO2超細(xì)粒子的制備技術(shù)將會(huì)得到日益改進(jìn)。參考文獻(xiàn)
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第三篇:光觸媒(二氧化鈦-TIO2)實(shí)驗(yàn)報(bào)道
光觸媒(二氧化鈦-TIO2)實(shí)驗(yàn)報(bào)道
TiO2 納米粒子誘導(dǎo)單和雙鏈 DNA 斷裂和所有的一切都也引起染色體損傷以及炎癥反應(yīng),增加癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。加州大學(xué)洛杉磯分校研究首次表明,納米粒子有這樣的效果,據(jù)說(shuō)羅伯特 Schiestl,一位教授的病理學(xué)、放射腫瘤學(xué)和環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)、瓊森癌癥中心的科學(xué)家和這項(xiàng)研究的資深作者。
一次在系統(tǒng)中,TiO2 納米粒子堆積,在不同的器官因?yàn)樯眢w有沒(méi)有辦法可以消除它們。因?yàn)樗麄兪侨绱酥?,他們可以去任何地方在人體內(nèi),即使是通過(guò)細(xì)胞和亞細(xì)胞機(jī)制可能會(huì)干擾。
這項(xiàng)研究發(fā)表在癌癥研究》 雜志 11 月 16 日的一周.在過(guò)去,這些 TiO2 納米粒子被認(rèn)為是無(wú)毒的他們不會(huì)煽動(dòng)一種化學(xué)反應(yīng)。相反,它是表面之間的交互,納米粒子內(nèi)他們的環(huán)境 — — 在這種情況下里面的鼠標(biāo) — — 導(dǎo)致的遺傳損傷,Schiestl 說(shuō)。他們徘徊在體內(nèi)引起氧化應(yīng)激,可導(dǎo)致細(xì)胞死亡。
Schiestl 說(shuō): 這是一種新型機(jī)制毒性、理化反應(yīng),與常規(guī)的化學(xué)毒素,是通常毒理學(xué)研究的主題,這些粒子導(dǎo)致。
“新原理是鈦本身是化學(xué)惰性。然而,當(dāng)粒子變得逐漸變小,其表面,反過(guò)來(lái),變得逐漸更大,在這表面與環(huán)境的相互作用誘導(dǎo)了氧化應(yīng)激,”他說(shuō)?!斑@是二氧化鈦納米顆粒致遺傳毒性,可能是由于與炎癥和氧化應(yīng)激相關(guān)輔助機(jī)制造成的第一次綜合研究。鑒于越來(lái)越多地使用這些納米粒子,這些調(diào)查結(jié)果增加與接觸有關(guān)的潛在健康危害的關(guān)注。
TiO2 納米粒子的制造是一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè),Schiestl 說(shuō),每年約 200 萬(wàn)噸的生產(chǎn)。除了涂料、化妝品、防曬霜和維生素,納米顆??梢园l(fā)現(xiàn)在牙膏、食品著色劑、營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑和數(shù)百種其它個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品。
”它可能是自發(fā)性癌癥的某一部分就是因?yàn)檫@種接觸,“Schiestl 說(shuō)?!?,有些人可能是暴露在納米粒子比其他人更敏感。我相信,這些納米顆粒的毒性沒(méi)有得到足夠的研究。Schiestl 說(shuō),納米粒子不能通過(guò)皮膚,所以他建議使用乳液防曬霜。噴上的防曬霜可以潛在地吸入和納米粒子可以成為埋藏在肺部。
老鼠被暴露在飲水中的 TiO2 納米顆粒和開(kāi)始的第五天出現(xiàn)遺傳損傷。相當(dāng)于人類(lèi)大約是 1.6 年暴露于納米粒子在制造環(huán)境中。然而,Schiestl 說(shuō),尚不清楚如果定期、日常人體暴露在成倍地增長(zhǎng),繼續(xù)與納米顆粒接觸發(fā)生隨著時(shí)間的推移。
“這些數(shù)據(jù)表明我們應(yīng)該關(guān)注癌癥或遺傳疾病,特別是對(duì)職業(yè)暴露濃度高的納米二氧化鈦,人的潛在危險(xiǎn),它可能是審慎的做法是限制它們的攝入非基本藥物添加劑、食用色素等,通過(guò)”研究國(guó)家。
下一步,Schiestl 和他的團(tuán)隊(duì)將會(huì)研究,納米顆粒在缺乏 DNA 修復(fù),也許幫助找到方法來(lái)預(yù)測(cè)哪些人可能會(huì)對(duì)他們特別敏感的小鼠暴露。
該研究是由美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院資助的。
故事來(lái)源:上面的故事基于由洛杉磯加利福尼亞大學(xué)所提供的材料。芝加哥加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校?!笆褂眉{米顆粒的共同家居用品造成遺傳損傷小鼠”??茖W(xué)日?qǐng)?bào)》??茖W(xué)日?qǐng)?bào)》,2009年11月17日。
第四篇:納米二氧化鈦光觸媒JR05治理霧霾
納米二氧化鈦光觸媒JR05治理霧霾
【摘要】霧霾已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類(lèi)生活和健康,治理霧霾成為當(dāng)務(wù)之急。目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究出納米二氧化鈦光觸媒JR05產(chǎn)品治理霧霾。納米二氧化鈦吸收光能激發(fā)電子生成帶正電的空穴,利用逸出電子的還原性和空穴的氧化性對(duì)PM2.5進(jìn)行分解。【關(guān)鍵詞】霧霾 納米二氧化鈦 光觸媒
1.前言:
中新網(wǎng)12月23日電新加坡《聯(lián)合早報(bào)》23日文章稱(chēng),中國(guó)的空氣污染如果再不引起高度的警惕,真正下大決心、大力度去治理,其造成的損失和代價(jià)將是極其慘痛的。受不利氣象條件及春節(jié)燃放煙花爆竹的習(xí)慣影響,2014年,自1月30日(農(nóng)歷除夕)開(kāi)始,全國(guó)多地出現(xiàn)PM2.5數(shù)值達(dá)到空氣重度污染程度。山西太原被濃濃的霧霾籠罩,PM2.5數(shù)值已達(dá)到250屬于重度污染;2月1日農(nóng)歷正月初二,四川眉山、樂(lè)山、德陽(yáng)、綿陽(yáng)等地遭遇大霧襲擊,導(dǎo)致成樂(lè)、成灌、成溫邛、京昆高速綿廣、成綿段等部分國(guó)、省道高速公路關(guān)閉,民眾春節(jié)走親訪(fǎng)友出行受影響。2月2日,上海,霧霾籠罩,城市一片朦朧,建筑若隱若現(xiàn),如同海市蜃樓,市民凌晨在霧霾中出行,截至早7時(shí),全市PM2.5平均濃度為243.1,靜安監(jiān)測(cè)站最高為282.3,浦東川沙最低為165.8;2月2日清晨,農(nóng)歷大年初三,安徽省六安市出現(xiàn)濃霧天氣。
霧和霾不是同一種氣象:霧是空氣中的水氣和灰塵顆粒結(jié)合,形成懸浮在地面水滴。而霾是微小的顆粒飄在空氣中,使空氣變得混濁的一種現(xiàn)象。組成霧霾小顆粒非常復(fù)雜,有好幾百種顆粒物。比如有礦物顆粒物、硝酸鹽、有機(jī)氣溶膠粒等,吸入之后這些粒子會(huì)進(jìn)入呼吸道和肺葉中。霧霾的時(shí)候空氣不怎么流通,然后空氣中的病菌和細(xì)菌會(huì)比較多,傳染類(lèi)疾病比較容易發(fā)生感染。霧霾天氣空氣中的污染物不容易擴(kuò)散,一氧化碳等有害物質(zhì)增多。同時(shí)還影響人體皮膚散熱,容易出現(xiàn)胸悶、疲勞、頭暈等癥狀……
中國(guó)霧霾現(xiàn)狀給我們敲響警鐘。治理霧霾不僅是針對(duì)傳統(tǒng)霧霾形成機(jī)理,還要根據(jù)中國(guó)霧霾特殊性,注重包括土壤、水源嚴(yán)重污染的治理修復(fù),減少微生物飄逸和阻斷微生物營(yíng)養(yǎng)供給路徑。通過(guò)全社會(huì)的共同努力,早日將霧霾形成的臨界點(diǎn)降下來(lái),治理霧霾的難題就迎刃而解。
2.納米二氧化鈦光觸媒JR05治理霧霾
2.1反應(yīng)原理:
光觸媒是指可通過(guò)吸收光而處于更高的能量狀態(tài),并將能量傳遞給反應(yīng)物而使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一類(lèi)物質(zhì)。半導(dǎo)體和金屬化合物等是常用的光觸媒材料、其中最常見(jiàn)的是二氧化鈦。二氧化鈦廣泛用作染料、牙粉、化妝品和食品添加劑等,是一種安全無(wú)毒、價(jià)廉耐用的物質(zhì)。當(dāng)用光照射二氧化鈦表面時(shí),像太陽(yáng)能電池使用的硅片等一樣,產(chǎn)生負(fù)電荷的電子和正電荷的正孔。這些電子和正孔具有很強(qiáng)的還原和氧化能力,能與水或溶存的氧反應(yīng),產(chǎn)生氫氧根自由基和超氧負(fù)離子。這些正孔和氫氧根自由基具有很強(qiáng)的氧化能力,構(gòu)成有機(jī)物分子的碳-碳鍵、碳-氫鍵、碳-氮鍵、碳-氧鍵、氧-氫鍵和氮-氫鍵等的鍵能分別為83 kcal/mol、99 kcal/mol、73kcal/mol、84 kcal/mol、111 kcal/mol、93 kcal/mol,而正孔和氫氧根自由基的氧化能大于120 kcal/mol以上,可以簡(jiǎn)單地將上述鍵切斷分解。因此,可以將水中溶存的各種有害化學(xué)物質(zhì)或空氣中的惡臭物質(zhì)分解或無(wú)害化處理。此外,氫氧根自由基比作為消毒殺菌劑被廣泛使用的次氯酸、雙氧水和臭氧等具有更強(qiáng)的氧化能力,可用作殺菌劑和防霉劑??傊?,二氧化鈦具有在光的照射下能分解和無(wú)害化處理幾乎所有有害有機(jī)物,不用有毒的藥品或煤、石油等化石燃料,僅利用干凈且取之不盡的太陽(yáng)能就能將擴(kuò)散了的環(huán)境污染物安全有效地處理并且可半永久化循環(huán)使用等眾多的優(yōu)點(diǎn)。
2.2納米二氧化鈦結(jié)構(gòu)研究:
研究過(guò)程中,以四氯化鈦和無(wú)水乙醇做為主要原料,采用溶膠——凝膠法的技術(shù)合成路線(xiàn),成功研制出尺寸為10nm-60nm的二氧化鈦粒子。在實(shí)驗(yàn)中,針對(duì)二氧化鈦粒子、粒徑、晶型、分散性所做的研究表明:結(jié)果表明,反應(yīng)溫度低于30℃時(shí),出現(xiàn)的是銳鈦礦,反應(yīng)溫度高于30℃時(shí),開(kāi)始有金紅石相產(chǎn)生。隨著煅燒溫度的提高,粒子的尺寸不斷增大。高于600℃時(shí),增長(zhǎng)趨勢(shì)增大,500——700℃是相變溫度區(qū)。此外,紅外方式下干燥,形成二氧化鈦粒徑較小,且有金紅石出現(xiàn),并在較低煅燒溫度即可獲得金紅石相。分析認(rèn)為,紅外條件下,提供了相變所需的相變焓。
2.3類(lèi)似材料:鈣基粘合劑Calcium based binders 上世紀(jì)80年代,政府決定嘗試在街道使用一種鈣基黏合劑治理空氣污染。這種黏合劑類(lèi)似膠水,可吸附空氣中的塵埃。街道清掃工已將這種新產(chǎn)品用于人口嘈雜、污染嚴(yán)重的城區(qū),目前監(jiān)測(cè)結(jié)果稱(chēng)這些區(qū)域的微粒已經(jīng)下降了14%。(2013年2013-10-25 14:40:09 來(lái)源: 北方新報(bào)(呼和浩特)
這種鈣基粘合劑類(lèi)似膠水,可吸附空氣中的塵埃物質(zhì)。街道清掃工作者已將這種新產(chǎn)品用于人口嘈雜污染嚴(yán)重的城區(qū),目前監(jiān)測(cè)結(jié)果稱(chēng)這些區(qū)域的微粒已經(jīng)下降了14%。此外,倫敦還將采取了多項(xiàng)其他措施,包括推出環(huán)保巴士,建立更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)以及大量植樹(shù)造林等。
3.目前使用情況:
國(guó)內(nèi):
記者從光觸媒系列產(chǎn)品應(yīng)用研討會(huì)獲悉:上海已在復(fù)興東路、河南路部分路面鋪設(shè)了一種新型環(huán)保材料―――光催化劑,試驗(yàn)表明,該路面能吸收45%的廢氣污染。車(chē)流不息的街頭,常常彌漫著刺鼻氣味,其中大部分是汽車(chē)尾氣。針對(duì)污染元兇,意大利環(huán)球工程技術(shù)公司和世紀(jì)化學(xué)公司合作開(kāi)發(fā)了環(huán)保材料―――光催化劑。這種環(huán)保材料的主要化學(xué)成分是二氧化鈦,在陽(yáng)光或人造光下,會(huì)“變身”催化劑,將空氣中及汽車(chē)排放的二氧化氮分解為硝酸鹽,隨即被路面上的其他物質(zhì)吸收。該材料曾鋪設(shè)在意大利米蘭市一條道路上,經(jīng)過(guò)數(shù)月分析計(jì)算,廢氣污染數(shù)降低了60%至70%。
目前深圳南山區(qū)在PM2.5監(jiān)控點(diǎn)使用納米光催化材料JR05處理了四五十萬(wàn)平方米建筑外墻、道路,治理汽車(chē)尾氣、PM2.5、霧霾天氣;晶瑞公司和東北林大交通學(xué)院承擔(dān)過(guò)交通部?jī)蓚€(gè)項(xiàng)目,也是使用高活性、高分散納米二氧化鈦JR05光催化材料處理水泥道路和柏油道路,利用免費(fèi)的太陽(yáng)光做能量,高活性、高分散納米二氧化鈦光催化材料做催化劑,光催化分解汽車(chē)尾氣,產(chǎn)生的是無(wú)害的物質(zhì),效果很好,氮氧化物降解效率是 60%;項(xiàng)目已經(jīng)驗(yàn)收結(jié)題。
國(guó)外:
JR05在美國(guó)、德國(guó)、日本、意大利、英國(guó)、荷蘭等多個(gè)國(guó)家受到好評(píng),在進(jìn)一步擴(kuò)大使用。JR05 處理成本在大范圍使用情況下,可以大幅度下降;控制在較低的可以承受的范圍。這種新材料光催化治理空氣污染可以長(zhǎng)期有效。
在日本過(guò)去20年中,主要由于汽車(chē)尾氣中的氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)所造成的大氣污染問(wèn)題一直沒(méi)有得到改善,已引起數(shù)起公害訴訟而成為嚴(yán)重的問(wèn)題。如果應(yīng)用二氧化鈦光觸媒,則能使大氣污染源的一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)等氮氧化物(NOx)或硫氧化物(SOx)氧化成硝酸根離子(NO3-)或硫酸根離子(SO42-)。將光觸媒涂刷于建筑物的外墻時(shí),就可利用太陽(yáng)光將氮氧化物或硫氧化物分別氧化成硝酸根離子或硫酸根離子,下雨時(shí)可將硝酸根離子或硫酸根離子沖刷下來(lái),就這樣可持續(xù)不斷地進(jìn)行光觸媒反應(yīng),從而除去大氣中的氮氧化物或硫氧化物?,F(xiàn)已研究表明沖刷硝酸根離子或硫酸根離子雨水的酸性可以被空氣中浮游的堿性粉塵所中和。目前,含光觸媒的大氣凈化產(chǎn)品,比如道路建設(shè)中的大氣凈化部件、涂料、片材、水泥以及道路路面等已被開(kāi)發(fā)推廣。附著有光觸媒的吸音板材和高速道路的防音壁等商品也在開(kāi)發(fā)之中。
4.結(jié)論 長(zhǎng)期從事組合材料學(xué)和材料基因組方法這一前沿技術(shù)研究的高琛團(tuán)隊(duì),在光催化材料研究方面,歷經(jīng)初期的材料篩選、中期的材料優(yōu)化、后期的同步輻射機(jī)理研究,合成了幾百種材料方案,并獲得多項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的光催化材料,從綠光到紫外光都能夠充分吸收利用,分解污染物質(zhì)的效率更高。
專(zhuān)家評(píng)價(jià),光觸媒空氣凈化器具有在同樣的紫外光源照條件下,濾除PM2.5及甲醛、甲苯的效果更好,選用材料的性?xún)r(jià)比很高,工程化應(yīng)用前景廣闊。
5.文獻(xiàn)及資料參考來(lái)源:
壓縮包中的文件:
《光觸媒技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化》 《二氧化鈦毒理學(xué)》
《光觸媒納米二氧化鈦應(yīng)用研究》 網(wǎng)站資源:
納米二氧化鈦的制備、結(jié)構(gòu)和性能的研究 http://
第五篇:畢業(yè)論文-溶膠凝膠法制備納米二氧化鈦
摘要
二氧化鈦(Tio2),多用于光觸媒、化妝品,能靠紫外線(xiàn)消毒及殺菌,現(xiàn)正廣泛開(kāi)發(fā),將來(lái)有機(jī)會(huì)成為新工業(yè)。TiO2可制作成光催化劑,凈化空氣,消除車(chē)輛排放物中25%到45%的氮氧化物,可用于治理PM2.5懸浮顆粒物過(guò)高的空氣污染。
自20世紀(jì)80年代以來(lái),納米TiO2由于強(qiáng)的吸收和散射紫外線(xiàn)性能,作為優(yōu)良的紫外線(xiàn)屏蔽劑,用于防曬護(hù)膚品、纖維、涂料等領(lǐng)域。本文分別采用沉淀法和溶膠凝膠法制備二氧化鈦納米顆粒,并對(duì)其形貌進(jìn)行檢測(cè)和分析。關(guān)鍵詞:二氧化鈦 沉淀法 溶膠凝膠法 納米 形貌 Abstract titanium dioxide(TiO2),usually used for photocatalyst、cosmetic,can disinfection and sterilization by ultraviolet light,now it developed widely,maybe become a new industry in the future.Tio2 can be made into photocatalyst,make the air clean,eliminate 25% to 45% oxynitride from vehicle emissions.Can be used for the treatment of PM2.5 particles of highair pollution.Since the 1980s,nanoTiO2 because it strong performance of Absorption and scattering of radiation,as a good ultraviolet screening agent, Used to prevent bask in skin care products, fiber, coating, etc.Precipitation method and sol gel method are used to synthesis fabricate TiO2 nano materials in the article, and test and analyze the morphology of production.Key words:TiO2
Precipitation method sol gel method nanometer morphology
第一章 緒論 1.1 引言
納米 TiO2在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方而有許多優(yōu)異性能,能夠把光能轉(zhuǎn)化為電能和化學(xué)能,使在通常情況下難于實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)(水的分解)能夠在溫和的條件下(不需要高溫高壓)順利的進(jìn)行。納米 TiO2具有獨(dú)特的光催化性、優(yōu)異的顏色效應(yīng)以及紫外線(xiàn)屏蔽等功能,在能源、環(huán)保、建材、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域 有重要應(yīng)用 前景,是 一種重要的功能材料。1.2 二氧化鈦的結(jié)構(gòu)
TiO2在自然界中主要存在三種晶體結(jié)構(gòu):銳鈦礦型(圖1a)、金紅石型(圖1b)和板鈦礦型,而金紅石型和銳鈦礦型都具有催化活性。銳鈦礦型TiO2為四方晶系,其中每個(gè)八面體與周?chē)?個(gè)八面體相連接(4個(gè)共邊,4個(gè)共頂角),4個(gè)TiO2分子組成一個(gè)晶胞。金紅石型TiO2也為四方晶系,晶格中心為T(mén)i原子,八面體棱角上為6個(gè)氧原子,每個(gè)八面體與周?chē)?0個(gè)八面體相聯(lián)(其中有兩個(gè)共邊,八個(gè)共頂角),兩個(gè)TiO2分子組成一個(gè)晶胞,其八面體畸變程度較銳鈦礦要小,對(duì)稱(chēng)性不如銳鈦礦相,其Ti–Ti鍵長(zhǎng)較銳鈦礦小,而Ti-O鍵長(zhǎng)較銳鈦礦型大。板鈦礦型TiO2為斜方晶系,6個(gè)TiO2分子組成一個(gè)晶胞。
1.3二氧化鈦的應(yīng)用
1.3.1基于半導(dǎo)體性質(zhì)和電學(xué)特性的應(yīng)用領(lǐng)域
TiO2是一種多功能性的化工材料,基于其電磁和半導(dǎo)體性能,在電子工業(yè)中有
廣泛應(yīng)用,基于其介電性制造高檔溫度補(bǔ)償陶瓷電容器、以及熱敏、溫敏、光敏、壓敏、氣敏、濕敏等敏感元件。
TiO2氣敏元件可用來(lái)檢測(cè)多種氣體,包括H2、Co等可燃性氣體和O2。TiO2氣敏元件可用作汽車(chē)尾氣傳感器,通過(guò)測(cè)定汽車(chē)尾氣中O2含量,可以控制和減少汽車(chē)尾氣中的CO和NOx的污染,同時(shí)提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)效率。1.3.2基于紫外屏蔽特性和可見(jiàn)光透明性的應(yīng)用領(lǐng)域 1.3.2.1防日曬化妝品
納米TiO2,無(wú)毒、無(wú)味,對(duì)皮膚無(wú)刺激,無(wú)致癌危險(xiǎn)性,使用安全可靠;對(duì)UVA和UVB都有很好的屏蔽作用,且可透過(guò)可見(jiàn)光;穩(wěn)定性好,吸收紫外線(xiàn)后不分解、不變色。因此被廣泛用于防曬霜、粉底霜、口紅、防曬摩絲等。1.3.2.2食品包裝材料
紫外線(xiàn)易使食品氧化變質(zhì),破壞食品中的維生素,降低營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。用含0.1~0.5%納米TiO2的透明塑料薄膜包裝食品,既具透明性,又防紫外線(xiàn)。不僅能從外面看清食品,而且能使食品長(zhǎng)時(shí)間保存不變質(zhì)。1.3.2.3透明外用耐久性涂料和特種涂料
當(dāng)納米TiO2用于涂料并達(dá)到納米級(jí)的分散時(shí),可作為優(yōu)良的罩光漆,由于其可見(jiàn)光透明性和紫外光屏蔽特性,因而可大大增加其保光、保色及抗老化(耐候性)性能。這種涂料可用于汽車(chē)、建筑、木器、家具、文物保護(hù)等領(lǐng)域。利用其吸收遠(yuǎn)紅外和抗遠(yuǎn)紅外探測(cè)的性能,制造特種涂料用于隱形飛機(jī)、隱形軍艦等國(guó)防工業(yè)中。
1.3.3基于光催化性質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域 1.3.3.1光催化合成
利用納米TiO2優(yōu)良的光催化活性,在化學(xué)工業(yè)中可光催化合成NH3,苯乙烯的環(huán)氧化等。這方面的工作還處于研究階段,尚未工業(yè)應(yīng)用。1.3.3.2在能源領(lǐng)域的應(yīng)用
利用納米TiO2的光催化活性,可做成太陽(yáng)能電池(光電池)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。還可以光催化分解水制氫(氫是一種最清潔、無(wú)污染,又便于利用的新能源),將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。目前的問(wèn)題是光利用率和產(chǎn)率太低,需繼續(xù)研究解決。
1.3.3.3在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用
這是最有希望、最有前途的一個(gè)領(lǐng)域。納米TiO2作為光催化劑,在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用是當(dāng)前研究的一個(gè)重點(diǎn)和熱門(mén)課題。利用它治理污染,具有能耗低,操作簡(jiǎn)便,反應(yīng)條件溫和,無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。納米TiO2用于廢氣處理,可使工業(yè)廢氣脫硝、脫硫和使CO轉(zhuǎn)化為無(wú)害的N2、CO2、H2O等,可制造環(huán)保用廢氣轉(zhuǎn)換器。
1.3.4基于顏色效應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域
將納米TiO2與閃光鋁粉和云母鈦珠光顏料拼配使用制成的涂料具有隨角異色效應(yīng),作為金屬閃光面漆涂裝在小汽車(chē)上,將產(chǎn)生富麗雅致的效果。這是納米TiO2最重要,最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。1.3.5基于表面超雙親性和表面超疏水性的應(yīng)用
利用玻璃基體上的納米TiO2涂膜在紫外光照射下具有表面水油超親合性,可使表面附著的水滴迅速擴(kuò)散展開(kāi)成均勻的水膜,從而防霧、防露,維持高度的透明性,不會(huì)影響視線(xiàn),制成建筑物窗玻璃、車(chē)輛擋風(fēng)玻璃、后視鏡、浴室鏡子、眼鏡鏡片,測(cè)量?jī)x器的玻璃罩等,能保證車(chē)輛交通安全和各種用途玻璃的能見(jiàn)度。
又在氟樹(shù)脂中加入納米TiO2后,其表面與水的接觸角可達(dá)160度,顯示出超疏水特性,就如同荷葉上的水珠一樣,可使之具有防雪、防水滴、防污等特性,從而在某些領(lǐng)域中具有特殊用途。1.4合成制備納米二氧化鈦的方法
近年來(lái),伴隨著全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重,納米半導(dǎo)體光催化劑材料一直是材料學(xué)和光催化學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前,比較簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體光催化劑有TiO2、SnO2、Fe2O3、MoO3、WO3、PbS、ZnS、ZnO 和CdS 等,納米TiO2因其具有性質(zhì)穩(wěn)定、抗光腐蝕性強(qiáng)、耐酸堿腐蝕性強(qiáng)、原料豐富等優(yōu)點(diǎn)。
目前,制備納米TiO2粉體的方法有很多,按照所需粉體的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸、晶型、用途選用不同的制備方法。根據(jù)粉體制備原理的不同,這些方法可分為物理法、化學(xué)法和綜合法。無(wú)論采用何種方法,制備的納米粉體都應(yīng)滿(mǎn)足以下條件: 表面光潔;粒子的形狀及粒徑、粒度分布可控;粒子不易團(tuán)聚;易于收集;熱穩(wěn) 定性好;產(chǎn)率高。
1.4.1物理法
物理法是最早采用的納米材料制備方法,其方法是采用高能消耗的方式,“強(qiáng)制”材料“細(xì)化”得到納米材料。物理法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品純度高。1.4.1.1氣相蒸發(fā)沉積法
此法制備納米TiO2粉體的過(guò)程為: 將金屬Ti 置于鎢舟中,在(2 ~ 10)× 102 Pa 的He 氣氛下加熱蒸發(fā),從過(guò)飽和蒸汽中凝固的細(xì)小顆粒被收集到液氮冷卻套管上,然后向反應(yīng)室注入5 ×103 Pa 的純氧,使顆粒迅速、完全氧化成TiO2 粉體。利用該方法制備的TiO2納米粉體是雙峰分布,粉體顆粒大小為14 nm。1.4.1.2蒸發(fā)-凝聚法
此法是將將平均粒徑為3μm的工業(yè)TiO2軸向注入功率為60 kW的高頻等離子爐Ar-O2混合等離子矩中,在大約10 000 K的高溫下,粗粒子TiO2汽化蒸發(fā),進(jìn)入冷凝膨脹罐中降壓,急冷得到10~50 nm的納米TiO2。1.4.2化學(xué)法
化學(xué)法可以根據(jù)反應(yīng)物的物態(tài),將其劃分為液相化學(xué)反應(yīng)法、氣相化學(xué)反應(yīng)法和固相反應(yīng)法。此類(lèi)方法制造的納米粉體產(chǎn)量大,粒子直徑可控,也可得到納米管和納米晶須,同時(shí),該法能方便地對(duì)粒子表面進(jìn)行碳、硅和有機(jī)物包覆或修飾處理,使粒子尺寸細(xì)小且均勻,性能更加穩(wěn)定。1.4.2.1液相化學(xué)反應(yīng)法
該方法是生產(chǎn)各種氧化物微粒的主要方法,是指在均相溶液中,通過(guò)各種方式溶質(zhì)和溶劑分離,溶質(zhì)形成形狀、大小一定的顆粒,得到所需粉末的前驅(qū)體,加熱分解后得到納米顆粒的方法。液相化學(xué)法制備納米TiO2又分為溶膠-凝膠法、水解法、沉淀法、微乳液法等。
溶膠-凝膠法(Sol - gel 法)是以鈦醇鹽為原料,在無(wú)水乙醇溶劑中與水發(fā)生反應(yīng),經(jīng)過(guò)水解與縮聚過(guò)程而逐漸凝膠化,再經(jīng)干燥、燒結(jié)處理即可得到納米TiO2粒子。此法制得的產(chǎn)品純度高、顆粒細(xì)、尺寸均勻、干燥后顆粒自身的燒結(jié)溫度低,但凝膠顆粒之間燒結(jié)性差,產(chǎn)物干燥時(shí)收縮大。
水解法是以TiCl4(化學(xué)純)作為前驅(qū)體,在冰水浴下強(qiáng)力攪拌,將一定量的TiCl4滴入蒸餾水中,將溶有硫酸銨和濃鹽酸的水溶液滴加到所得的TiCl4水溶 5
液中攪拌,混合過(guò)程中溫度控制在15 ℃,此時(shí),TiCl4的濃度為1.1 mol /L,Ti4 + /H+ = 15,Ti4 + /SO2 -4 = 1 /2。將混合物升溫至95 ℃并保溫1 h 后,加入濃氨水,pH 值為6 左右,冷卻至室溫,陳化12 h 過(guò)濾,用蒸餾水洗去Cl-后,用酒精洗滌3次,過(guò)濾,室溫條件下將沉淀真空干燥,或?qū)⒄婵崭稍锖蟮姆垠w于不同溫度下煅燒,得到不同形貌的TiO2粉體。利用該方法制備的TiO2粉體,粒徑僅為7 nm,且晶粒大小均勻。在制備過(guò)程中探討了煅燒溫度對(duì)粉體的影響,水解反應(yīng)機(jī)理、水解溫度對(duì)結(jié)晶態(tài)的影響,硫酸根離子對(duì)粉體性能的影響等問(wèn)題。
沉淀法是向金屬鹽溶液中加入某種沉淀劑,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使沉淀劑在整個(gè)溶液中緩慢地析出,從而使金屬離子共沉淀下來(lái),再經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥、焙燒而得到粒度小分布窄、團(tuán)聚少的納米材料。趙旭等采用均相沉淀法,以尿素為沉淀劑,控制反應(yīng)液鈦離子濃度、稀硫酸及表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉的用量,制備的粒子為20 ~ 30 μm 球型TiO2粒子,該粒子晶體粒徑在納米范圍內(nèi)5 ~ 208 nm。
微乳液法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種制備納米微粒的有效方法。微乳液是利用兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成一個(gè)均勻的乳液,從乳液中析出固相制備納米材料的方法。乳液法可使成核、生長(zhǎng)、聚結(jié)、團(tuán)聚等過(guò)程局限在一個(gè)微小的球形液滴內(nèi)形成一個(gè)球形顆粒,避免了顆粒之間進(jìn)一步團(tuán)聚。1.4.2.2 氣相化學(xué)反應(yīng)法
氣相熱解法。該方法是在真空或惰性氣氛下用各種高溫源將反應(yīng)區(qū)加熱到所需溫度,然后導(dǎo)入氣體反應(yīng)物或?qū)⒎磻?yīng)物溶液以噴霧法導(dǎo)入,溶液在高溫條件下?lián)]發(fā)后發(fā)生熱分解反應(yīng),生成氧化物。1992 年日本Tohokuoniuemi - tu 采用高頻感應(yīng)噴霧熱解法以鈦氯化物(如TiCl4)為原料制備得到四方晶系納米TiO2 粉末。
氣相水解法。日本曹達(dá)公司和出光產(chǎn)公司制備納米氧化鈦采用的技術(shù)方法主要是以氮?dú)?、氦氣或空氣等作載體的條件下,把鈦醇鹽蒸汽和水蒸氣分別導(dǎo)入反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū),在有效反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行瞬間混合,同時(shí)快速完成水解反應(yīng),以反應(yīng)溫度來(lái)調(diào)節(jié)并控制納米TiO2的粒徑和粒子形狀。此制備工藝可獲得平均 6
粒徑為10 ~ 150 nm,比表面積為50 ~ 300 m2 /g 的非晶型納米TiO2。該工藝的特點(diǎn)是操作溫度較低,能耗小,對(duì)材質(zhì)純度要求不是很高,并在工業(yè)化生產(chǎn)方面容易實(shí)現(xiàn)續(xù)化生產(chǎn)。其主要化學(xué)反應(yīng)為:
nTi(OR)4(g)+ 4nH2O(g)→nTi(OH)4(S)+ 4nROH(g)
nTi(OH)4(S)→nTiO2·H2O(s)+ nH2O(g)
nTiO2·H2O(s)→nTiO2(s)+ nH2O(g)1.4.3綜合法 1.4.3.1 激光CVD 法
該方法集合了物理法和化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn),在80 年代由美國(guó)的Haggery 提出,目前,J David Casey 用激光CVD 法已合成出了具有顆粒粒徑小、不團(tuán)聚、粒1.4.3.2 等離子CVD 法
該方法是利用等離子體產(chǎn)生的超高溫激發(fā)氣體發(fā)生反應(yīng),同時(shí)利用等離子體高溫區(qū)與周?chē)h(huán)境巨大的溫度梯度,通過(guò)急冷作用得到納米顆粒。該方法有兩個(gè)特點(diǎn):
(1)產(chǎn)生等離子時(shí)沒(méi)有引入雜質(zhì),因此生成的納米粒子純度較高;(2)等離子體所處空間大,氣體流速慢,致使反應(yīng)物在等離子空間停留時(shí)間長(zhǎng),物質(zhì)可以充分加熱和反應(yīng)。1.5本課題研究的目的和意義
如上所述,納米二氧化鈦以其特殊的性能和廣闊的發(fā)展前景引起科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。以其獨(dú)特的表面效應(yīng)、小尺寸效 應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)等性質(zhì),而呈現(xiàn)出許多奇異的物理、化學(xué)性質(zhì),使其在眾多領(lǐng)域具有特別重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。納米二氧化鈦是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型無(wú)機(jī)化工材料,它具有比表面積大、磁性強(qiáng)、光吸收性好、表面活性大、熱導(dǎo)性好、分散性好等性能,納米TiO2是當(dāng)前應(yīng)用前景最為廣泛的一種納米材料, 具有很強(qiáng)的吸收紫外線(xiàn)能力, 奇特的顏色效應(yīng), 較好的熱穩(wěn)定性, 化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)及力學(xué)等方面的特性。其中銳鈦礦型具有較高的催化效率, 金紅石型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有較強(qiáng)的覆蓋力、著色力和紫外線(xiàn)吸收能力。因而倍受?chē)?guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。
納米TiO2具有許多優(yōu)異的性能,不僅具有優(yōu)異的顏料特性——高遮蓋率、高消 7
色力、高光澤度、高白度和強(qiáng)的耐候性外,還具有特殊的力學(xué)、光、電、磁功能;更具有高透明性、紫外線(xiàn)吸收能力以及光催化活性、隨角異色效應(yīng)。特別是隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,納米TiO2高效的光催化降解污染物的能力而成為當(dāng)前最為活躍的研究熱點(diǎn)之一。而其獨(dú)特的顏色效應(yīng)、光催化作用及紫外線(xiàn)屏蔽等功能,在汽車(chē)工業(yè)、防曬化妝品、廢水處理、殺菌、環(huán)保等方面一經(jīng)面世就備受青睞。
今年來(lái)隨著各種技術(shù)的發(fā)展,納米TiO2已應(yīng)用在多種領(lǐng)域中,但由于其在環(huán)境治理中有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),所以其在環(huán)保領(lǐng)域會(huì)更有大發(fā)展。
眾所周知,二氧化鈦的組成結(jié)構(gòu)、尺寸大小和形貌特征等因素對(duì)其性質(zhì)影響較大,實(shí)現(xiàn)二氧化鈦的應(yīng)用不僅需要充分發(fā)揮其本征性質(zhì),還可以通過(guò)尺寸和形貌控制對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。本文主要是研究使用不同制備方法,在不同條件下制備不同形貌的納米二氧化鈦。第二章 原材料及表征 2.1試劑及儀器 2.1.1主要試劑
本實(shí)驗(yàn)中,所使用的主要試劑如表2.1所示
所有試劑均未經(jīng)進(jìn)一步的處理,實(shí)驗(yàn)所用水為蒸餾。2.1.2主要實(shí)驗(yàn)儀器
表2.2所示是本實(shí)驗(yàn)中所用主要儀器設(shè)備及測(cè)試所用的大型儀器。2.2樣品的表征
掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示,掃描電子顯微鏡以熾熱燈絲所發(fā)射的電子為光源,燈絲發(fā)射的電子束在通過(guò)柵極之后,聚焦成電子束。在加速電壓作用下,通過(guò)三個(gè)電磁透鏡組成的電子光學(xué)系統(tǒng),之后匯聚成直徑約幾十個(gè)埃的電子束照射到被觀測(cè)樣品表面。電子束與樣品作用,產(chǎn)生不同的電子其其他射線(xiàn),如二次電子、背散射電子、透射電子、吸收電子及X射線(xiàn)等。這些信號(hào)在經(jīng)收集器吸收后,傳輸?shù)椒糯笃?,?jīng)放大器放大,送至顯像管,顯示出樣品的形貌。在掃描電子顯微鏡表征樣品表面形貌時(shí),用來(lái)成像的信號(hào)主要是二次電子,所謂二次電子,就是指電子束光源與樣品作用,樣品中的價(jià)電子受激發(fā)而脫離出來(lái)的電子。本實(shí)驗(yàn)中,采用中國(guó)科儀公司的KYKY-2800B型的掃描 8
電子顯微鏡對(duì)對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行表征,掃描電子顯微鏡的加速電壓為20KV。
第三章 沉淀法制備納米二氧化鈦 3.1制備過(guò)程