水热法合成二氧化钛及研究进展

水热法合成二氧化钛及研究进展

水热法合成二氧化钛及研究进展

摘要：水热法合成了不同晶型、形貌、大小和研定形貌的二氧化钛。究了pH值、水热反应温度和水热反应时间对纳米二氧化钛晶型、形貌和晶粒尺寸的影响，对TiO2晶形影响光催化活性的原因进行了探讨。同时从二氧化钛水解制氢、废水处理、空气净化、抗菌、除臭方面介绍了纳米二氧化钛在环境治理方面的应用和发展趋势，并对纳米二氧化钛的制备方法与应用作出展望。 关键词：二氧化钛；晶型；水热法；光催化；制备；应用

纳米二氧化钛(TiO2)具有比表面积大、磁性强、光吸收性好、表面活性大、热导性好、分散性好等性能。纳米TiO2是一种重要的无机功能材料, 可应用于随角异色涂料、屏蔽紫外线、光电转换、光催化等领域，在光催化领域环境治理方面具有举足轻重的地位，可应用在环保中的各个领域，它在环境污染治理中将日益受到人们的重视，具有广阔的应用前景，因此制备高光催化性能的纳米TiO2，拓展纳米二氧化钛的应用也是学者研究的重点。水热法合成纳米TiO2粉体具有晶粒发育完整、粒径分布均匀、不需作高温煅烧处理、颗粒团聚程度较轻的特点。 1. TiO2的制备方法、材料的性能

1.1 不同晶型纳米二氧化钛的水热合成 1.1.1 实验方法

边搅拌边将2mol·L- 1的四氯化钛水溶液缓慢滴加到115mol·L- 1的氢氧化钠水溶液中，保持30℃反应，生成纳米TiO2前驱体，反应终点的pH值分别控制为1.1、3.1、5.1、8.1、11.1、12.1。把纳米TiO2前驱体装入内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行水热反应，120℃～200℃反应1h～48h，反应结束后，冷却至室温，产物经过滤和蒸馏水洗至滤液中无Cl-，在100℃下鼓风干燥10h，粉碎后得到不同结构的纳米TiO2 粉体。选择不同的特征峰(金红石型选110面、锐钛矿型选101面，板钛矿型选121面)，根据特征衍射峰的半高宽，利用Scherrer公式展宽法估算出其晶粒尺寸。

1.1.2 研究与开发

1.1.2.1 pH值对纳米TiO2晶型和形貌的影响

在水热反应温度为200 ℃和水热反应时间24 h的条件下。当pH = 1.0时， 产

第 1 页

2024/7/25

水热法合成二氧化钛及研究进展

品晶型为纯金红石，当pH = 3.0 时， 产品晶型主要为锐钛矿，一次粒径(原始粒径) 为10 nm左右；当pH = 5.0 时， 产品晶型为纯锐钛矿，含有大量的柱状和少量的球状粒子，柱状粒子宽约10 nm， 长20 nm～40 nm； 当pH = 8.0、11.0和12.0时， 产品晶型为纯板钛矿pH = 80 时， 产品的原始粒径为50 nm～80 nm， 而pH = 11.0 和12.0 时， 产品的原始粒径增大至300 nm以上， 远大于Scherrer公式的计算结果。说明pH≥11.0时所形成的板钛矿型TiO2颗粒是由许多微晶组成的聚集体。TiO2虽然有金红石、锐钛矿和板钛矿3种同质异构晶体， 但从结晶化学上看， 这3种晶体的结构单元都是[ TiO6 ]八面体， 由于连接方式不同， 使得它们的生长形态和物理性能存在明显的差异。根据生长基元理论， TiO2同质异构晶体的水热形成过程包括： 生长基元形成﹑生长基元相互连接形成晶核和晶粒生长三个主要的阶段。生长基元结构取决于前驱体的结构， 而前驱体的结构又与pH有关。由于水热过程的pH值的差异， 水热反应过程会形成不同的生长基元， 不同的生长基元会产生不同结构叠合方式的多聚体， 这种多聚体会相互结合形成它们结构相容的晶核， 从而会形成不同晶型的TiO2晶核。

1.1.2.2 水热反应温度的影响

将不同pH值下的前驱体分别置于120℃、150℃、180℃和200℃下水热反应24h所得样品的X射线衍射图谱分析可知随着水热反应温度的升高，金红石型和锐钛矿型的衍射峰逐渐变得尖锐，说明晶粒逐渐长大且pH值越大，形成板钛矿型所需的水热温度越高。此外，pH越大，虽然形成板钛矿型所需的水热温度越高，但合成的板钛矿型的晶粒尺寸也越大。这主要与不同温度下氧化钛在水热溶液中的溶解度有关：纳米TiO2的水热生长属于“溶解- 结晶”过程，生长速度取决其溶解速度，水热反应温度升高，氧化钛的溶解度快速增加。因此，纳米TiO2的生长速度明显加快。

1.1.2.3 水热反应时间的影响

经研究发现，将不同pH值下的前驱体分别置于200℃下水热反应不同时间，所得样品的晶型和晶粒尺寸与水热反应温度之间存在一定的关系。随着水热反应时间的延长，金红石型纳米TiO2的晶粒尺寸快速长大；板钛矿型TiO2的晶粒尺寸虽然随水热反应时间有所增加，但晶粒生长速度明显低于金红石但对于锐钛矿而言，随着水热反应时间的增加，纳米TiO2的晶粒尺寸却几乎不变。pH越大，形

第 2 页 2024/7/25

水热法合成二氧化钛及研究进展

成板钛矿型所需的水热时间越长，板钛矿型的晶粒尺寸也越大①。

1.1.2.4 结论

1) 通过控制前驱体pH值、水热反应温度和水热反应时间可以对纳米TiO2 的晶型、晶粒尺寸和形貌进行有效控制其中前驱pH值是决定产品晶型、晶粒尺寸和形貌的主要因素，随pH值的升高，产品晶型的变化顺序依次是：金红石、锐钛矿和板钛矿。

2) 随着水热反应温度的升高，纳米二氧化钛的晶粒尺寸逐渐变大，但pH = 3.0时所形成的锐钛矿型纳米TiO2的晶粒尺寸却几乎不变。随着水热反应时间的延长，金红石型纳米TiO2晶粒的生长速度最快， 而锐钛矿型的纳米TiO2的晶粒生长速度则最慢。

3) 生成板钛矿TiO2 所需的温度和时间与pH有关， 在相同的水热反应时间下， pH越大， 形成板钛矿型所需的水热温度越高; 在相同的水热反应温度下， 体系的pH越大， 形成板钛矿型所需的水热时间越长1。

1.2 水热合成法制备特定形貌的二氧化钛及光催化性能 1.2.1 实验部分

溶液的配置：

四氯化钛溶液(2mol/L)的配置：在磁力搅拌下，将110mL的TiCl4缓慢滴加到已装有300mL的二次蒸馏水的烧杯中。然后将该溶液定容到500mL ，即得到2mol/L的四氯化钛溶液(由于四氯化钛在空气中冒白烟， 所以滴加实验在通风厨中进行)。

硫酸钛溶液(1mol/L)的配置：称取120g硫酸钛，加水溶解并定容至500mL，即得到1mol/L的硫酸钛溶液。氢氧化钠溶液(1.5 mol/L )的配置：将18.0g的NaOH溶解到300mL二次蒸馏水中。

催化剂的制备：

四氯化钛法：控制水浴温度为30 ℃。在磁力搅拌下，将一定量的T iCl4 (2mo l?L ) 滴加到300mL的1. 5mo l/L的NaOH溶液中，得到的白色沉淀. 沉淀陈化过夜，布氏漏斗过滤(微孔滤膜孔径0. 45 Lm)。测定滤液pH值后， 将滤饼转移到水热反应釜中，用滤液稀释至80mL 左右，玻璃棒搅拌均匀，密封后于250 ℃反应24h。待水热釜冷却后， 过滤洗涤至无氯离子(硝酸银检验无白色沉淀)。将

第 3 页

2024/7/25

水热法合成二氧化钛及研究进展

滤饼于110℃烘3 h。

硫酸钛法：方法同四氯化钛法， 除用1mol/L的Ti(SO4)2代替TiCl4(2mo l/L )，BaSO 4代替A gNO3检测硫酸根离子以外。

1.2.2 催化剂表征

在X射线衍射仪上进行XRD研究，样品的平均晶粒大小利用Scherrer公式由衍射峰的半峰宽求得。其中Dhkl为(h，k ，l)晶面的粒径； K为晶体的形状因子(取0.89)；H为衍射角；B1?2为半峰宽(弧度)。

通过XRD图谱确定样品的晶相和晶粒的大小。SEM观察样品的表面形貌。 TEM照片由透射电子显微镜而得。固体漫反射(DRS)在可见2紫外光谱仪上进行测试得到。

1.2.3 光催化实验过程

在50mL的容量瓶中，加入定容后浓度为1.00×10- 4mol/L的X3B溶液。 然后将该溶液转移已称有50mg二氧化钛催化剂的100mL 具塞三角瓶中。摇匀，超声处理5min。将三角瓶置于振荡器中，震荡过夜，以达到X3B在催化剂表面的吸附2脱附平衡。将平衡后的溶液全部转移至光催化反应仪中，开始光催化反应。在指定的时间内取样，经离心、膜过滤(滤膜孔径0.45μm)。将所得的滤液进行光谱定量测定(以510nm 处的最大吸收值进行定量)。

1.2.4 光催化性能研究

研究结果表明：X3B在所有样TiO2溶液中的光催化降解满足一级动力学方程。锐钛矿型TiO2的光活性强于金红石型TiO2。通过平衡吸附前后，溶液中X3B的浓度变化，计算催化剂对X3B的吸附率。吸附结果表明， X3B在金红石型TiO2上的吸附不大，吸附率小于9 %；但是，锐钛矿型TiO2对X3B有较强的吸附，吸附率大于18 %。一般认为，光催化反应在催化剂的表面进行。较强的吸附，有利于缩短光活性物种与目标分子的距离， 因此加快反应速率。 X3B 在锐钛矿型TiO2上较强的吸附，可能是导致其光活性较强的原因之一。当然，锐钛矿型TiO2对紫外光较强的吸收能力，也是导致其光活性强的一个原因。

1.2.5 结论

采用无机钛盐直接水热的方式，成功制备了纳米晶TiO2.钛源种类和水热pH

第 4 页

2024/7/25

水热法合成二氧化钛及研究进展

值对催化剂的晶型、晶粒尺寸和形貌有重要影响.锐钛矿型TiO2的光催化活性强于金红石型，这可能与其较小的晶粒尺寸、较强的紫外光吸收能力和对降解有机污染物较强的吸附能力有关2。 2. Ti02的应用

2.1 TiO2光催化分解水制氢

TiO2具有价廉、无毒、无污染等优势，目前广泛开展的改性研究和对气体分离的考虑都在促进其向实用阶段发展。可以预见，利用TiO2光催化分解水制氢将会在通往“氢经济”的道路上起到举足轻重的作用。

2.2 TiO2光催化在废水处理中的应用

2.2.1 纳米TiO2光催化降解废水中有机污染物

研究发现有多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过TiO2迅速降解。纳米TiO2可处理多种类型的有机废水，如催化降解染料废水，油田的含油废 \吸含有石油污染物的水体，含苯酚类污染物的洗煤废水，垃圾填埋场的渗滤液。光催化氧化法降解有机废水设备、工艺简单、氧化能力强、能耗低，无二次污染等特点，故在水的深度处理和含难降解有机物的工业废水处理方面有很好的应用前景。

降解水中重金属离子污染物

污水中的Cr6+以及铬盐均是致癌物质，对农作物和其他生物及人体都有很大的危害作用。在光照条件下，以TiO2为催化剂时，Cr6+及其铬盐这两种污染物能发生还原作用，达到光催化净化。文献 的实验研究就是利用TiO2薄膜在光催化下使Cr6+转化成Cr3+，然后直接加碱生成Cr(OH)3沉淀，对传统的加酸方法使Cr6+转化为Cr3+进行了改进，减少了酸性物质对容器的腐蚀等中间过程，降低了处理Cr6+成本。

2.3 TiO2光催化在空气净化方面的应用

目前的光催化研究正处于陕速的发展期，而光催化消除环境污染的应用研究是该快速发展期中的主导。 大气中有机物的光降解

目前，国内外学者对烯烃、醇、酮、醛、芳香族化合物、有机酸、胺、有机复合物、三氯乙烯等气态有机物的TiO2光催化降解进行了研究，其量子效率是

第 5 页 2024/7/25