【摘要】介绍了以工业偏钛酸为原料制备纳米二氧化钛的方法,分析讨论了均匀沉淀法制备中各环节的影响因素,如酸钛比\硫酸浓度、硫酸氧钛TiOSO4溶液质量浓度、尿素用量\煅烧温度等。结果表明(1)偏钛酸的酸解条件是酸钛比为3,硫酸浓度为8.2mol/L,反应温度为100℃,溶解时间为1h，(2)在90℃下加入理论量3倍的尿素可以得到同等条件下粒径最小的纳米TiO2：(3)所得样品为锐钛型纳米TiO2,在850℃下煅烧时开始出现金红石型,当温度达到900℃时出现大量的金红石型,即锐钛型向金红石型转化的起始温度为850℃
目前,国内外合成纳米TiO2的方法主要有:溶胶-凝胶法(S-G法)、气相法(CⅤD法)、胶溶法和W/O微乳法[1]。采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2,粉末粒径小,分布均匀,分散性好,但要以钛醇盐为原料,并使用大量的有机试剂,成本高[2]。而CVD法工艺流程短,自动化程度高,但制造过程温度较高,腐蚀严重,对设备材质方面要求严格,工艺参数要求精确复杂,因此产品成本高,投资大[3]。微乳法制备纳米级超细TiO2是近年来较流行的方法之一,有望制备单分散的纳米TiO2微粉,但降低成本和减轻团聚还是需要解决的两大难题，估计在工业上生产纳米级超细TiO2还要经历相当长的时间[4-6]。
本文以工业偏钛酸H2TiO3为原料制备纳米二氧化钛的原因是工业偏钛酸H2TiO3简单易得,价格便宜,可大幅降低生产成本,且生产工艺简单,采用均匀沉淀法可制得粒度均匀、分散性好的纳米TiO2粒子。
1 均匀沉淀法合成纳米TiO2的理论基础
1.1 均匀沉淀法的理论基础
均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢、均匀地释放出来,该法特点是：加入溶液的沉淀剂不立刻与沉淀组分发生反应,而是通过化学反应,使沉淀剂在溶液中缓慢生成[7],可将过饱和度控制在适当范围内,从而控制粒子的生长速度,以获得粒度均匀、便于洗涤的纳米粒子。纳米颗粒从液相中析出并形成由两个过程构成:(1)核的形成,称为成核过程;(2)核的长大,称为生长过程.当成核速率小于生长速率时,有利于生成大而少的粗粒子,反之,有利于纳米颗粒的形成。因此,为了获得纳米粒子,须保证成核速率大于生长速率,即保证反应在较大的过冷度或高的过饱和度下进行。如果向金属盐溶液中直接添加沉淀剂,容易造成沉淀剂的局部浓度过高,使沉淀中夹杂其他杂质,均匀沉淀法中,沉淀剂通过化学反应缓慢生成,只要能控制好生成沉淀剂的速度,就可避免浓度不均匀现象,使过饱和度控制在适当范围内,从而控制粒子的生长速度,并获得粒度均匀、致密、纯度高的纳米粒子。
1.2 反应原理
将工业偏钛酸H2TiO3溶于浓硫酸(H2SO4)中,生成硫酸氧钛(TiOSO4)溶液。
H2Ti03+H2S04→TiOSO4+H2O
以尿素为沉淀剂宿主,与硫酸氧钛(TiOSO4)反应,生成二氧化钛
1.4 纳米二氧化钛制备
按不同酸钛比将偏钛酸、浓硫酸在磁力搅拌器上加热搅拌至偏钛酸完全溶解,停止加热,并用活性炭吸附、过滤,去离子水稀释到一定浓度,再用水浴锅加热至尿素水解,产生沉淀,洗涤、干燥、研磨、煅烧,取出,冷却至室温,即得纳米TiO2粉体。
1.5 测试
XRD分析采用X射线衍射仪(丹东方园仪器有限公司DX-1000);形貌分析采用JEM-100CX 型TEM透射电镜(日本电子公司)。利用XRD半高峰宽法测算纳米TiO2粒子粒径,根据Scherrer公式[8]计算平均晶粒尺寸D[hkl]=kλ/βcosθ),式中。D为平均晶粒尺寸(nm);k为晶粒的形状因子,一般为0.89;λ为Ⅹ射线波长,本试验Cu靶Kal的λ=0.15406nm。
在Ti(Ⅳ)溶液中加入H2O,根据呈现的灵敏显色反应(在强酸性溶液中显红色,在稀酸或中性溶液中显橙黄色)进行TiO2比色分析Lambert 2Bcer定律:4=εbc,由吸光度A与浓度c成正比即可求得TiO2含量。利用的分析仪器是UV2Vis 8500紫外/可见光分光光度计。可以用反应前后溶液中TiO2含量变化与反应前溶液中TiO2的'总含量比值表示,由此确定水解率。
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