二氧化钛实验.doc

实验目的：1.培养小组自主设计及完成实验的能力和合作能力。2.了解纳米二氧化钛的粒性和物性。3.掌握溶胶凝胶法合成纳米级TiO2 的方法和过程。一、溶胶凝胶法制备二氧化钛1、引言：TiO2是一种n型半导体材料，晶粒尺寸介于1100 nm，其晶型有两种:金红石型和锐钛型。比表面积大，表面张力大，熔点低，磁性强，光吸收性能好，特别是吸收紫外线的能力强，表面活性大，热导性能好，分散性好等。利用纳米TiO2作光催化剂，可处理有机废水，其活性比普通TiO2(约10 m)高得多；利用其透明性和散射紫外线的能力，可作食品包装材料、木器保护漆、人造纤维添加剂、化妆品防晒霜等；利用其光电导性和光敏性，可开发一种TiO2感光材料。由于颗粒尺寸的微细化，使得纳米粉体在保持原物质化学性质的同时，与块状材料相比，在磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化和熔点等方面表现出奇异的性能。呈现出许多特有的物理、化学性质，在涂料、造纸、陶瓷、化妆品、工业催化剂、抗菌剂、环境保护等行业具有广阔的应用前景，TiO2半导体光催化剂因光催化效率高、无毒、稳定性好和适用范围广等优点而成为人们研究的热点。纳米TiO2的制备方法可归纳为物理方法和化学方法。物理制备方法主要有机械粉碎法、惰性气体冷凝法、真空蒸发法、溅射法等；物理化学综合法又可大致分为气相法和液相法。目前的工业化应用中，最常用的方法还是物理化学综合法。目前合成纳米二氧化钛粉体的方法主要有液相法和气相法。由于传统的方法不能或难以制备纳米级二氧化钛，而溶胶-凝胶法则可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级纳米催化剂13，因此，本实验采用溶胶-凝胶法来制备纳米二氧化钛光催化剂。2、优点:可通过简单的设备,在各种规格和各种形状的机体表面形成涂层;可获得高度均匀的多组分涂层和特定组分的不均匀涂层;可获得粒径分布比较均匀的涂层;可通过多种方法对薄膜的表面结构和性能进行修饰;负载膜催化剂易回收利用,在催化反应中容易处理。总之就是：均匀度高，尤其是多组分的制品，其均匀度可达分子或原子尺度；制品的纯度高，而且溶剂在处理过程中容易除去；反应易控制，副反应少；煅烧温度低，工艺操作简单。缺点:干燥过程中由于溶剂蒸发产生残余应力导致薄膜容易龟裂;焙烧时由于有机物的挥发及聚合骨架的破坏,易导致薄膜龟裂出现裂缝,甚至脱落;薄膜的应力影响限制了薄膜的厚度;溶胶的粘度、温度、浓度和机体的波动等因素影响制备 的薄膜质量。2、实验原理：溶胶凝胶法是制备纳米粉体的一种重要方法。它具有其独特的优点，其反应中各组分的混合在分子间进行，因而产物的粒径小、均匀性高；反应过程易于控制，可得到一些用其他方法难以得到的产物，另外反应在低温下进行，避免了高温杂相的出现，使产物的纯度高。但缺点是由于溶胶凝胶法是采用金属醇盐作原料，其成本较高，其该工艺流程较长，而且粉体的后处理过程中易产生硬团聚。采用溶胶凝胶法制备纳米TiO2粉体，是利用钛醇盐为原料。原先通过水解和缩聚反应使其形成透明溶胶，然后加入适量的去离子水后转变成凝胶结构，将凝胶陈放一段时间后放入烘箱中干燥。待完全变成干凝胶后再进行研磨、煅烧即可得到均匀的纳米TiO2粉体。在溶胶凝胶法中，最终产物的结构在溶液中已初步形成，且后续工艺与溶胶的性质直接相关，因而溶胶的质量是十分重要的。醇盐的水解和缩聚反应是均相溶液转变为溶胶的根本原因，控制醇盐水解缩聚的条件是制备高质量溶胶的关键。因此溶剂的选择是溶胶制备的前提。同时，溶液的pH值对胶体的形成和团聚状态有影响，加水量的多少会影响醇盐水解缩聚物的结构，陈化时间的长短会改变晶粒的生长状态，煅烧温度的变化对粉体的相结构和晶粒大小的影响。总之，在溶胶凝胶法制备TiO2粉体的过程中，有许多因素影响粉体的形成和性能。因此应严格控制好工艺条件，以获得性能优良的纳米TiO2粉体。制备溶胶所用的原料为钛酸四丁脂(Ti(O-C4H9)4)、水、无水乙醇(C2H5OH)以及冰醋酸。反应物为Ti(O-C4H9)4和水，分相介质为C2H5OH，冰醋酸可调节体系的酸度防止钛离子水解过速。使Ti(O-C4H9)4在C2H5OH中水解生成Ti(OH)4，脱水后即可获得TiO2。在后续的热处理过程中，只要控制适当的温度条件和反应时间，就可以获得金红石型和锐钛型二氧化钛。钛酸四丁脂在酸性条件下，在乙醇介质中水解反应是分步进行的，总水解反应表示为下式，水解产物为含钛离子溶胶。一般认为，在含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网状基团。上述溶胶体系静置一段时间后，由于发生胶凝作用，最后形成稳定凝胶。2、仪器及试剂试剂：钛酸正四丁脂，无水乙醇，冰醋酸，盐酸，去离子水仪器：电热炉、恒温水浴箱、50mL量筒和10 mL量筒各一个、烧杯(100 mL)两个、玻璃棒、抽滤瓶、布氏漏斗、滤纸、PH试纸、标准比色卡、洗瓶、蒸发皿。二、实验步骤：室温下用完全干燥的量筒量取10mL钛酸丁酯，缓慢滴入到35mL无水乙醇中，并用磁力搅拌器强力搅拌10min，混合均匀，形成黄色澄清溶液A。将4 mL冰醋酸和10mL蒸馏水加到另35mL无水乙醇中，剧烈搅拌，得到溶液B，滴入1-2滴盐酸，调节pH值使pH3。室温水浴下，在剧烈搅拌下将已移入恒压漏斗中的溶液A缓慢滴入溶液B中，滴速大约10 mL/min。滴加完毕后得浅黄色溶液，继续搅拌半小时后，80水浴加热，1h后得到微黄色凝胶。转至布氏漏斗中抽滤（若形成的胶体没有分层可不抽滤）。将滤饼置于蒸发皿中在电热路上烘干，得到淡黄色粉末然后焙烧、活化。三、实验现象:室温水浴下，在剧烈搅拌下将已移入恒压漏斗中的溶液A缓慢滴入溶液B中，滴速大约3 mL/min。滴加完毕后得浅黄色溶液，继续搅拌半小时后，40水浴加热，2h后得到白色凝胶(倾斜烧瓶凝胶不流动)。置于120下烘干，大约12h，得黄色晶体，研磨，得到淡黄色粉末。在450的马弗炉下煅烧处理3h，得到不同的二氧化钛(纯白色)粉体。四、分析及结论:制备纳米二氧化钛结论如下：（1）水作为反应物之一，它的加入量主要影响钛醇盐的水解缩聚反应，是一个关键的影响参数，而且为保证得到稳定的凝胶采用了分次加入的方式。（2） 冰醋酸作用是抑制钛酸丁酯的水解速度。（3） 乙醇可以溶解钛酸丁酯,并通过空间位阻效应阻碍氢链的生成,从而使水解反应变慢，因此需要控制反应中乙醇的加入量。（4） pH值是影响凝胶时间的有一个因素，通过实验取pH在23为宜。五、思考题：1. 为什么所有的仪器必须干燥？ 答：钛酸四丁酯容易水解，如果仪器不是干燥的可能会引起钛酸四丁酯水解产生沉淀Ti(OH)4，导致实验失败。 2. 加入冰醋酸的作用是什么？ 答：加入冰醋酸是为了防止钛酸四丁酯水解。3将A溶液缓慢地滴加到B溶液中并且用磁力搅拌器迅速地搅拌半小时，为什么要剧烈搅拌？答：滴加溶液时必须剧烈搅拌溶液，防止溶胶形成的过程中产生沉淀4将溶液A滴加到溶液B中时为什么要缓慢滴加？ 答：