【摘要】介紹了以工業偏鈦酸為原料制備納米二氧化鈦的方法,分析討論了均勻沉淀法制備中各環節的影響因素,如酸鈦比\硫酸濃度、硫酸氧鈦TiOSO4溶液質量濃度、尿素用量\煅燒溫度等。結果表明(1)偏鈦酸的酸解條件是酸鈦比為3,硫酸濃度為8.2mol/L,反應溫度為100℃,溶解時間為1h，(2)在90℃下加入理論量3倍的尿素可以得到同等條件下粒徑最小的納米TiO2：(3)所得樣品為銳鈦型納米TiO2,在850℃下煅燒時開始出現金紅石型,當溫度達到900℃時出現大量的金紅石型,即銳鈦型向金紅石型轉化的起始溫度為850℃
目前,國內外合成納米TiO2的方法主要有:溶膠-凝膠法(S-G法)、氣相法(CⅤD法)、膠溶法和W/O微乳法[1]。采用溶膠-凝膠法制備納米TiO2,粉末粒徑小,分布均勻,分散性好,但要以鈦醇鹽為原料,并使用大量的有機試劑,成本高[2]。而CVD法工藝流程短,自動化程度高,但制造過程溫度較高,腐蝕嚴重,對設備材質方面要求嚴格,工藝參數要求精確復雜,因此產品成本高,投資大[3]。微乳法制備納米級超細TiO2是近年來較流行的方法之一,有望制備單分散的納米TiO2微粉,但降低成本和減輕團聚還是需要解決的兩大難題，估計在工業上生產納米級超細TiO2還要經歷相當長的時間[4-6]。
本文以工業偏鈦酸H2TiO3為原料制備納米二氧化鈦的原因是工業偏鈦酸H2TiO3簡單易得,價格便宜,可大幅降低生產成本,且生產工藝簡單,采用均勻沉淀法可制得粒度均勻、分散性好的納米TiO2粒子。
1 均勻沉淀法合成納米TiO2的理論基礎
1.1 均勻沉淀法的理論基礎
均勻沉淀法是利用某一化學反應使溶液中的構晶離子由溶液中緩慢、均勻地釋放出來,該法特點是：加入溶液的沉淀劑不立刻與沉淀組分發生反應,而是通過化學反應,使沉淀劑在溶液中緩慢生成[7],可將過飽和度控制在適當范圍內,從而控制粒子的生長速度,以獲得粒度均勻、便于洗滌的納米粒子。納米顆粒從液相中析出并形成由兩個過程構成:(1)核的形成,稱為成核過程;(2)核的長大,稱為生長過程.當成核速率小于生長速率時,有利于生成大而少的粗粒子,反之,有利于納米顆粒的形成。因此,為了獲得納米粒子,須保證成核速率大于生長速率,即保證反應在較大的過冷度或高的過飽和度下進行。如果向金屬鹽溶液中直接添加沉淀劑,容易造成沉淀劑的局部濃度過高,使沉淀中夾雜其他雜質,均勻沉淀法中,沉淀劑通過化學反應緩慢生成,只要能控制好生成沉淀劑的速度,就可避免濃度不均勻現象,使過飽和度控制在適當范圍內,從而控制粒子的生長速度,并獲得粒度均勻、致密、純度高的納米粒子。
1.2 反應原理
將工業偏鈦酸H2TiO3溶于濃硫酸(H2SO4)中,生成硫酸氧鈦(TiOSO4)溶液。
H2Ti03+H2S04→TiOSO4+H2O
以尿素為沉淀劑宿主,與硫酸氧鈦(TiOSO4)反應,生成二氧化鈦
1.4 納米二氧化鈦制備
按不同酸鈦比將偏鈦酸、濃硫酸在磁力攪拌器上加熱攪拌至偏鈦酸完全溶解,停止加熱,并用活性炭吸附、過濾,去離子水稀釋到一定濃度,再用水浴鍋加熱至尿素水解,產生沉淀,洗滌、干燥、研磨、煅燒,取出,冷卻至室溫,即得納米TiO2粉體。
1.5 測試
XRD分析采用X射線衍射儀(丹東方園儀器有限公司DX-1000);形貌分析采用JEM-100CX 型TEM透射電鏡(日本電子公司)。利用XRD半高峰寬法測算納米TiO2粒子粒徑,根據Scherrer公式[8]計算平均晶粒尺寸D[hkl]=kλ/βcosθ),式中。D為平均晶粒尺寸(nm);k為晶粒的形狀因子,一般為0.89;λ為Ⅹ射線波長,本試驗Cu靶Kal的λ=0.15406nm。
在Ti(Ⅳ)溶液中加入H2O,根據呈現的靈敏顯色反應(在強酸性溶液中顯紅色,在稀酸或中性溶液中顯橙黃色)進行TiO2比色分析Lambert 2Bcer定律:4=εbc,由吸光度A與濃度c成正比即可求得TiO2含量。利用的分析儀器是UV2Vis 8500紫外/可見光分光光度計。可以用反應前后溶液中TiO2含量變化與反應前溶液中TiO2的'總含量比值表示,由此確定水解率。
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