纳米二氧化钛

PAGEPAGE9纳米二氧化钛的研究现状、应用及展望姓名：马苓化工学院学号：2011207366摘要:综述了纳米二氧化钛的特性及其制备方法，液相法、气相法等。概述了纳米二氧化钛的表面改性，介绍了纳米二氧化钛在各个领域的应用，最后对其发展前景进行了展望。关键词：纳米二氧化钛，制备，表面改性，应用1.前言纳米科技是二十世纪80年代兴起的高新技术,并将是二十一世纪高新技术的龙头,它一问世就显示出在科学技术领域的重要地位,纳米材料的制备、结构、性能[1]及应用的研究已经成为人们共同关注的前沿课题。二氧化钛，俗称钛白，粘附力强,不易起化学变化,并且无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃，釉料，陶土，耐高温的实验器皿等。纳米TiO2具有化学性能稳定,常温下几乎不与其它化合物反应,不溶于水、稀酸,微溶于碱和热硝酸,且具有生物惰性。纳米TiO2是一种典型半导体料,纳米TiO2在光电和化学性质等方而有许多优异性能，能够把光能转化为电能和化学能，使在通常情况下难于实现或不能实现的反应(水的分解)能够在温和的条件下(不需要高温高压)顺利的进行。纳米TiO2[2]具有独特的光催化性，优异的颜色效应以及紫外线屏蔽等功能，在能源，环保，建材，医疗卫生等领域有重要应用前景，是一种重要的功能材料。纳米级半导体催化氧化作为一项新兴的现代污水处理技术,具有速度快，设备简单，操作方便,处理效果好，无2次污染，杀菌作用强,应用前景广阔。对低浓度污染物及气相污染物液也有很好的去除效果，且催化材料易得，运行成本低，是一项很有前途的污染治理技术，近年来受到广泛关注。随着纳米二氧化钛技术的发展，其应用领域更加广泛。2.研究现状2.1纳米二氧化钛的制备制备纳米TiO2的方法很多,归纳起来主要有:液相法、气相法、机械粉碎法[3]、电化学法等。其中,气相法和液相法各有优缺点，气相法所制得的纳米Ti02粉体粒度小，单分散性好，但工艺复杂、成本高。液相法制备纳米TiO2具有设备简单、易操作、成本低等优点，但容易发生团聚，形貌不容易控制。2.1.液相法是选择可溶于水或有机溶剂的金属盐类,使金属盐溶解,并以离子或分子状态混合均匀,再选择一种合适的沉淀剂或采用蒸发、结晶、升华、水解等过程,将金属离子均匀沉淀或结晶出来,再经过脱水或热分解制得粉体。它又可分为胶溶法、溶胶—凝胶法、醇盐水解法、沉淀法等。2.1.气相法是使用金属钛的卤化物、金属有机钛化合物等在加热下挥发,经气相反应使生成物TiO2沉淀出来。它又可分为物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、激光诱导与化学气相沉积法(LICVD)。2.1.3该法用固态物料热分解或固一固反应进行的。它包括氧化还原法、热解法和反应法。比较常用的是用偏钛酸热解法制备纳米TiO2。该法工艺简单,操作易行,可批量生产,但制得的纳米TiO2粒径分布较宽。2.2纳米二氧化钛表面改性剂的研究现状纳米TiO2的表面改性就是利用一定的化学物质通过一定的工艺方法使其与纳米TiO2表面上的羟基发生反应，消除或减少表面醇羟基的量，接枝或包覆其他化学物质，使产品由亲水变为疏水，以达到改变表面性质的目的。纳米TiO2按表面改性剂分为无机改性和有机改性。无机表面改性包括无机化合物包覆、离子掺杂、金属沉积、强酸修饰。纳米TiO2经无机表面改性后，表面呈亲水性，适合在极性体系中应用。但加入到塑料、橡胶、化纤、化妆品等有机体系中就不易分散，不能发挥纳米TiO2的特殊性能。为使它在有机体系中有较好的相容性与分散性，需要进行有机表面改性。有机表面改性方法的优点是表面改性不会对颗粒的晶型和制备过程产生影响，改性后的纳米粒子分散性好，不易团聚。该方法主要包括偶联剂法、表面活性剂法、聚合物包覆法、光敏化剂法[4]等。纳米粒子改性的实施手段，也可称为纳米二氧化钛表面改性的物理方法，主要分为机械力分散法、超声波分散法、高能处理法等。3.应用3.1基于半导体性质和电学特性的应用领域TiO2是一种多功能性的化工材料，基于其电磁和半导体性能[5]，在电子工业中有广泛应用，基于其介电性制造高档温度补偿陶瓷电容器以及热敏、温敏、光敏、压敏、气敏、湿敏等敏感元件。TiO2气敏元件可用来检测多种气体,包括H2、CO等可燃性气体和O2。TiO2气敏元件可用作汽车尾气传感器,通过测定汽车尾气中O2含量,可以控制和减少汽车尾气中的CO和NOx的污染[6],同时提高汽车发动机效率。TiO2氧敏元件还可用在锅炉、金属热处理炉、无机材料[7]烧结炉中，测定燃烧排气中的O2含量,可以提高燃烧效率和防止大气污染。还可用于熔炼金属时控制气氛中的O2含量。基于紫外屏蔽特性和可见光透明性的应用领域纳米TiO2，无毒、无味，对皮肤无刺激，无致癌危险性，使用安全可靠；对UVA[8]和UVB都有很好的屏蔽作用，且可透过可见光;稳定性好，吸收紫外线后不分解、不变色。因此被广泛用于防晒霜、粉底霜、口红、防晒摩丝等。化妆品中含0.5～1%的纳米TiO2就是以屏蔽紫外线。化妆品中防晒剂[9]，金红石型优于锐钛型，粒径30～50μm为佳。为封闭纳米TiO2的催化活性，提高其耐候性、稳定性和分散性，需进行无机和有机表面处理。在农用塑料薄膜中添加少量纳米TiO2或纳米TiO2与纳米SiO2的混配物，则可大大延缓其老化，使之既透明又耐久。在其它塑料中添加少量纳米TiO2，也同样有延缓老化[10]，防止脆性，增加耐久性的作用。基于光催化性质的应用领域3.3.1在能源领域的应用利用纳米TiO2的光催化活性[11]，可做成太阳能电池(光电池)将太阳能转变为电能。还可以光催化分解水制氢(氢是一种最清洁、无污染，又便于利用的新能源)，将太阳能转变成化学能。目前的问题是光利用率和产率太低，需继续研究解决。3.3.2在环保领域的应用这是最有希望、最有前途的一个领域，近20年来研究很多，发表论文也很多。纳米TiO2作为光催化剂，在环保领域中的应用是当前研究的一个重点和热门课题，并已取得相当成绩。其所以备受重视，是因为利用它治理污染，具有能耗低[12]、操作简便、反应条件温和无二次污染等优点，能有效地将各种废水中的几乎所有有机和无机污染物氧化，降解为CO2、H2O、等无机小分子，达到完全无机化，并使重金属离子还原沉积无毒化，从而消除污染之目的。纳米TiO2用于废气处理[13]，可使工业废气脱硝、脱硫和使CO转化为无害的N2、CO2、H2O等，可制造环保用废气转换器。3.4基于颜色效应的应用领域将纳米TiO2与闪光铝粉和云母钛珠光颜料[14]拼配使用制成的涂料具有随角异色效应，作为金属闪光面[15]漆涂装在小汽车上，将产生富丽雅致的效果。这是纳米TiO2最重要，最有前途的应用领域之一。3.5基于纳米TiO2的表面超双亲性和表面超疏水性的应用利用玻璃基体上的纳米TiO2涂膜在紫外光照射下具有表面水油超亲合性[16]，可使表面附着的水滴迅速扩散[17]展开成均匀的水膜，从而防雾、防露、维持高度的透明性，不会影响视线，制成建筑物窗玻璃、车辆挡风玻璃、后视镜、浴室镜子、眼镜镜片，测量仪器的玻璃罩等，能保证车辆交通安全和各种用途玻璃的能见度[18]。4.纳米TiO2发展趋势有序TiO2纳米管阵列薄膜是近年来纳米材料研究的热点之一,这种材料与粉体纳米TiO2薄膜相比具有更大的比表而积和更强的吸附能力。同时，由于TiO2纳米管结构所具有的有序阵列结构形式，应用该材料后可以提高光生电荷的传输寿命并降低其复合几率，因此这种材料在高灵敏度气体传感器、染料敏化太阳能电池[19]、光解水制氢气及生物医疗组织工程等方面呈现出重要的应用前景。纳米二氧化钛是一种应用十分广泛的纳米材料，在工业化生产中，表面改性技术是必不可少的关键工艺之一。改性方法的选取以及改性剂的性质会直接影响产品的性能与应用范围。为使纳米二氧化钛得到更加广泛的应用，还需要对以下几个方面进行研究：1）不同表面改性剂与纳米TiO2的表面之间的作用机理、表面处理剂在纳米TiO2表面的存在状态和结合方式；2）表面处理对纳米TiO2宏观性质和微观结构的影响；3）根据不同的应用目的及具体的纳米TiO2生产工艺，有针对性地选择表面处理剂和表面处理工艺；4）研发出通用性强的表面改性手段。只有对纳米TiO2在材料中的团聚与分散问题解决好，它的特殊效应才会在材料中得到更好的体现，最终使纳米TiO2材料的力学、光学、热学等方面的性能得到最大程度的提高。纳米TiO2具有优异的催化性能，光学、热学和电学性能等。因此，纳米TiO2的制备、应用研究已成为材料科学领域的重要研究课题[20]之一。目前,我国纳米TiO2的研究和制备应用都有了较大进展。纳米TiO2是当今世界发展较快的无机化工产品，与国民经济有着密切的联系。纳米TiO2的销售渠道包括建材、塑料、橡胶、造纸、抗菌剂、医疗环境、三废处理等。纳米TiO2是化工市场的紧俏产品，尤其是高品位的钛白粉，更是紧俏，国际市场也供不应求。由于纳米TiO2具有多种独特优异性能,纳米TiO2将会具有更广阔的应用前景,也将会带来更大的经济效应、环境效应和社会效应。参考文献[1]陈爱清纳米二氧化钛的特性及其制备与应用黄石高等专科学校学报2003(12)[2]Preparingloadcrystalcontrollablenanometertitaniumdioxidecomprisesprocessingtitaniumrawmaterial,peptizingtoobtainprocessingliquidforload,dippingpresetbasematerialtoprocessingliquid,andwashinganddrying[3]王瑞侠许根水纳米二氧化钛的制备研究池州师专学报2006（20）[4]王希民蔺建设纳米二氧化钛光催化剂研究进展当代化工2001（30）[5]Deviceforsurfaceofopticalsystemorsolarcell,hastitaniumdioxidenanometergrainarraylayerandfluorine-bearingpolymerfilmformedonsubstrate,wheresubstrateisglassorsiliconpieceusedonsurfaceofsolarcell[6]王建营胡文祥孙家跃王卫纳米二氧化钛光催化氧化在环境治理中的研究化工时刊2004（18）[7]Infraredabsorptionfiberispreparedbyaddingnanometertitaniumdioxideandaluminumoxideincombinedpolybutylenesuccinatetoobtainnanometermodifieddegradablepolyester[8]李大成周大利刘恒张萍张云纳米二氧化钛的应用四川有色金属[9]Preparationofdendritictitaniumdioxidenanometertubearrayelectrode,comprisesselectingtitaniumfoil,chemicalpre-processing,usinganodizing,usingcarbonrodorplatinumelectrode,andusinglow-temperatureliquidphasemethod[10]StructuralandmorphologicalcharacterizationofnanosizedTiO(2)particlespreparedbysol-gelmethod[11]孙奉玉吴铭李文钊王复东二氧化钛表面光学特性与光催化活性的关系催化学报1998（19）[12]Aqueouspoly(urethane-acrylicester)/nanometertitaniumdioxidehybridmaterialpreparationinvolvesaddingabsoluteethylalcoholincontainerwithstirringdevice[13]Hexagonalmesoporoussiliconoxidecoveringnanometertitaniumoxidecompositematerialpreparationmethod,involvesroastingsedimenttoobtainhexagonalmesoporoussiliconoxidecoveringnanometertitaniumoxidecompositematerial[14]卢文林纳米二氧化钛的研究现状科技向导2010（04）[15]Chitosan/nanometertitaniumdioxidecompositeairpurifyingagent,isformedofchitosan,nanometertitaniumdioxideandactivecarbon,wherechitosanisdissolvedintospecificvolumeofchitosansolution[16]Relationshipbetweenopticalsurfacepropertiesandphotocatalyticactivityoftitaniumdioxide[17]窦瑶尹国强纳米二氧化钛的应用研究进展广州化工2011（39）[18]Studyonsurfacemodificationofnanometerindium-tin-oxidepowder[19]周柳江陈永纳米二氧化钛表面改性的研究现状与展望纳米科技2008（2）[20]杨晓芬纳米二氧化钛及其应用现状与发展前景内蒙古石油化工2011（14）附：(1)摘要:Undoped,Ag-dopedTiO2andN-dopedTiO2anatasenanocrystalsweresuccessfullypreparedfromtitaniumtetraisopropoxidebysol-gelmethod.Theas-preparedTiO2nanocrystalswerestructuralandmorphologicalcharacterizedbyX-raydiffraction,DRUV-VISspectroscopy,FT-IRspectroscopy,SEMmicroscopyandEDXanalysis.Thepresenceofdopingions,AgandN,wasconfirmedbyEDXelementalanalysis.Also,theresultsshowsthattheanataseTiO2hasaparticlesizeinthenanometerrangeabout20-30nm,calculatedbyScherrer'srelationandalsoconfirmedbySEMimages.翻译：没有掺杂任何离子及掺杂了银、氮的二氧化钛可通过溶胶-凝胶方法由钛粉成功制得。制备出来的纳米二氧化钛的结构和形态特征可通过x射线衍射、DRUV-VIS光谱、傅立叶变换红外光谱、扫描电镜(SEM)观察和EDX分析这些方法得到表征。掺杂离子的存在、银和氮可通过EDX元素分析得到确证。同时,结果表明,二氧化钛组织的粒子尺寸约为20-30nm，Scherrer计算及扫描电镜图像也证实了这点。（2）摘要:NOVELTY-Thedevicehasatinindiumoxidelayer,atitaniumdioxidenanometergrainarraylayerandafluorine-bearingpolymerfilmorderlyformedonasubstrate.Thesubstrateisaglassusedonasurfaceofanopticalsystemorasiliconpieceusedonasurfaceofasolarcell.Thetinindiumoxidelayerisadiaphanoustinindiumoxidelayer.Grainsizeoftitaniumdioxidenanoparticleis50nm-5microns.Afluorine-bearingpolymerisPTFEorpolyvinylidenefluoride.翻译：该装置有一个锡做的铟氧化物层,二氧化钛纳米颗粒阵列层及耐氟聚合物薄膜有序排列形成的基体。基体是一个在光学系统表面使用的玻璃片或是在太阳能电池表面使用的硅片。锡铟锡氧化物层是巴基斯坦铟氧化物层。二氧化钛纳米颗粒大小约为50nm-5微米。其中，聚合物可以是聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯。（3）摘要:Infraredabsorptionfiberispreparedbyaddingnanometertitaniumdioxideandaluminumoxideincombinedpolybutylenesuccinatetoobtainnanometermodifieddegradablepolyester.Rawmaterial,alcohol,catalystandpolymerizedrawmaterialareaddedintoanesterificationreaction.Therawmaterialisbutanediolorsuccinicacid.Thenanometermodifiedagent,stabilizingagent,potentiatingagentandfireretardantareaddedduringpolycondensation.Thecatalystissulfamicacidormetatitanicacid.Thenanometermodifiedagentistitaniumdioxideoraluminumoxide.翻译：红外吸收纤维是这样制得的,向联合聚丁烯酸中加入纳米二氧化钛或氧化铝来获得纳米改性可降解的多元酯。原材料、酒精、催化剂、聚合的原料被添加到一个酯化反应。原料是丁二醛或琥珀酸。在缩聚过程中还先后加入了纳米改性剂、稳定剂、助燃剂和阻燃剂。其中，催化剂是胺基磺酸或metatitanic酸，纳米改性剂是二氧化钛或氧化铝。(4)摘要:Preparationofdendritictitaniumdioxidenanometertubearrayelectrode,comprises:(a)selectingtitaniumfoilwith0.2mmthicknessand99.99%puritytoshearinto2cmx3cmsquareblocks;performingchemicalpre-processing;(b)usinganodizingtopreparetitaniumdioxidenanometertubearray;(c)usingcarbonrodorplatinumelectrodeascathodematerialtoprepareoneanodeoxidationtank;(d)underambienttemperature,mixing37%concentratedhydrochloricacidand28.5mldistilledwatertoprepare30mlsolvent;and(e)usinglow-temperatureliquidphasemethod.翻译：二氧化钛纳米管的树突阵列电极的制备包括:(一)选择钛衬托纯度99.99%0.2毫米厚度和剪切成2厘米×3厘米平方米街区,进行化学预处理;(二)通过氧化制备二氧化钛纳米管阵列;(三)使用碳杆或白金电极作为阴极材料,准备一个阳极氧化槽;(四)在环境温度下、取适量37%的浓盐酸和28.5毫升蒸馏水，配置30毫升溶剂;(五)使用低温液相法。（5）摘要:Aqueouspoly(urethane-acrylicester)/nanometertitaniumdioxidehybridmaterialpreparationinvolvesaddingabsoluteethylalcoholinacontainerwithastirringdevice.Acertainamountofmixedsolutionoftetrabutyltitanate(TBT),hydrochloricacid,distilledwaterandabsoluteethylalcoholisalsoaddedtothecontainerduringstirringfor1houratnormaltemperaturetoobtainahomogenizedclearsolution.翻译：水性的聚丙烯酸酯/纳米二氧化钛复合材料的制备，主要是通过向一含有搅拌装置的容器中加入比较纯的乙烷和酒精来制得。常温下，在1小时的搅拌过程中，加入一定量的丁烯钛、盐酸、蒸馏水及纯的乙烷酒精的混合溶液，以获得一个均质清晰的溶液。(6)摘要:Themethodinvolvesmixinglaurylamine,ethanol,waterandnanometertitaniumdioxidesol,stirringuniformly,addingethylorthosilicateandstirringfor12to24hoursforfilteringprocess.Weightratiobetweenlaurylamineandnanometertitaniumdioxidesolis500:1-1000:1.Sedimentiswashedanddriedbyutilizingaspecificprocess.TheSedimentisroastedfor3to6hoursat450to800degreesCelsiustoobtainahexagonalmesoporoussiliconoxidecoveringnanometertitaniumoxidecompositematerial.翻译：此过程包括混合十二烷基胺、乙醇、水和纳米二氧化钛溶胶、搅拌均匀,然后搅拌12到24小时后进行过滤。十二烷基胺和纳米二氧化钛溶胶的重量比是500:1-1000:1。清洗沉淀物和利用特定的方法进行干燥。将沉积物置于450-800摄氏度下烘烤3到6小时以获得一个覆盖纳米氧化钛复合材料的六角介孔氧化硅薄膜。（7）摘要:Preparingloadcrystalcontrollablenanometertitaniumdioxideonthesurfaceofhightemperaturenon-bearingbasematerialcomprisesprocessingthetitaniumrawmaterialtoobtaintitaniumhydroxidebyhydrolyzingoraddingalkalitodeposit;peptizingtoobtainprocessingliquidforload;dippingpresetbasematerialtotheprocessingliquidofloadtoreactfor24to72hoursat70to100degreesC;andwashinganddryingtoobtainhightemperaturenon-bearingbasematerialloadedwithcrystalcontrollablenanometertitaniumdioxide.翻译：在耐高温的基础材料表面制备纳米二氧化钛负荷晶体包括以下过程：在高温加工钛原料时通过水解或增加碱存放制得氢氧化钛；通过胶溶处理液体进行负荷；将预设基础材料浸渍在加工负荷的反应液体里，使其在70－100摄氏度反应24－72小时；水洗并烘干，获得可控纳米二氧化钛负荷晶体的耐高温基础材料。（8）摘要:Theagentisformedofchitosan,nanometertitaniumdioxideandactivecarbon,wherethechitosanisdissolvedinto0.2-2percentchitosansolutionbyusing0.5-2percentaceticacid,lacticacidorphosphoricacid.Tetraethyltitanateortetrabutylorthotitasolutionisaddedtothechitosansolution,wherethevolumeratioofthechitosansolutionandthetetraethyltitanateortetrabutylorthotitasolutionis1:0.1-1:0.5.Theactivecarbonpowderismixedwiththechitosansolutiontoobtainamixturethatismaintainedfor2-6hourstoobtaintheagent.翻译：试剂由壳聚糖、纳米二氧化钛和活性炭组成,将壳聚糖溶解于采用0.5--2%壳聚糖乙酸、乳酸或磷酸配置的0.2--2%的壳聚糖溶液中，将钛酸四乙基添加到壳聚糖溶液中,当壳聚糖溶液和钛酸四乙基的体积比为1:0.1-1:0.5时溶解。粉末活性炭与壳聚糖溶液混在一起使其作用2-6小时后得此试剂。(9)摘要：Thesurfacetreatmentofnanometerindium-tin-oxide(ITO)powderwasperformedindifferentdispersionmediabymechanicalandultrasonicdispersion.AndthemorphologyanddispersionofITOparticleswereanalyzedandcharacterizedbeforeandaftermodificationbyTG-DSCandTEM.Theresultsshowedthatthesatisfieddispers