二氧化鈦的制備方法和應用研究

汪 洋 劉嘉怡 林哲璇 楊志瀚

華南農業大學電子工程學院 廣東 廣州 511000

二氧化鈦,白色粉末,四方晶體。20世紀科學家首次發現二氧化鈦的光催化特性,并對二氧化鈦特性進行深入研究,發現二氧化鈦薄膜具備多種優良特性。

1 二氧化鈦物質特性

二氧化鈦是一種寬禁帶半導體,具備良好的光催化特性,通過氧化還原反應降解大部分有機物[1],因此可以用于危險廢物的氧化分解和控制有毒物。將二氧化鈦加入陶瓷中,煅燒后的陶瓷抗菌,不易脫落、且具有自清潔能力[2]。并且二氧化鈦納米材料具有較大的比表面積,在參與化學反應時,反應效率高于其他材料[3]。二氧化鈦是一種無毒、環保、耐腐蝕的材料,是常用的抗菌劑,被廣泛應用與醫療衛生中。李達等通過超聲噴霧熱解法制備薄膜,實驗檢驗在一定溫度下二氧化鈦對大腸桿菌有抑菌性[4]。此外二氧化鈦具有較好的親水性。二氧化鈦在光照條件下產生電子和空穴,具備光電特性,可用于制作太陽能電池。

2 二氧化鈦的制備方法

2.1 氣相法 化學氣相沉積法,它是一種制備薄膜的傳統技術,是指將攜帶所需原子的兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內,他們相互之間發生化學反應,在襯底上沉積,形成含有雜質的化合物薄膜。但在反應室中發生的反應機理較為復雜,只有發生在氣相和固相相交的界面處才可以在襯底上形成薄膜[5]。相對而言,此方法操作時需要考慮的因素過多,如兩種氣相化合物的比率,沉積速率,襯底的溫度,反應室的壓力等。

金屬有機化學氣相沉積法,是一種新的制膜技術,可以通過控制液體的金屬有機分子,精確控制氣體的流量達到控制薄膜組分的目的[6]。但是使用這種方法對原材料的精度要求高,高純度的金屬化合物難以獲得,且易燃易爆,毒性也大,對其反應后的尾氣需要進行嚴格的處理。并且所需的儀器設備較為昂貴,使得薄膜無法進行大批生產。

常壓化學氣相沉積法,是常用的一種制膜技術,能夠實現大面積并且連續制膜,可有效降低制造成本。使用此方法時,氣相內以及氣相和固相之間發生的化學反應由氣體的輸送過程控制,該過程對化學氣相沉積的結果有著至關重要的作用[7]。

2.2 液相法 溶膠凝膠法,是20世紀80 年代以來逐步發展的一種制備薄膜的方法。這種方法是用20ml的乙二醇甲醚和10ml冰醋酸作為共溶劑,再和不同濃度的Ag NO3溶液制成混合溶液1,再利用鈦酸四丁酯和乙酰丙酮制成混合溶液2,將混合溶液2逐滴加入混合溶液1,在室溫下避光攪拌2小時,過濾后靜置24小時得到二氧化鈦凝膠。之后將二氧化鈦溶膠溶液滴于經過高溫處理的ITO 玻璃基板上進行甩膜,每次甩完膜后在烘烤機上以200°C烤30min,靜置2min,以這樣的步驟在ITO 玻璃基板上鍍5層TiO2薄膜。這種二氧化鈦制備方法的優點是成膜較容易且成膜所需溫度比較低[8]。

水熱法,是一種將反應物放入密閉反應釜中,通過控制溶液壓力和溫度的制備方法。此方法是以TiCl4為原料制成前驅體,將前軀體倒于有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜內,在一定的溫度進行水熱反應,得到二氧化鈦薄膜[9]。這種方法的優點是不需要煅燒,制得的晶粒粒徑小,缺點是對反應釜的要求比較高,操作過程比較復雜。

2.3 固相法 固相反應,是有固體物質參與進入化學反應過程,它是固相法制備二氧化鈦的基礎[10]。

固體混合法,是一種具有廣闊應用空間的方法。將二氧化鈦和分子篩置于研缽中,加入無水乙醇后,經過一起研磨、干燥、煅燒等步驟,得到TiO2粉末。最后利用高能球磨方法,以FeTiO3作為原料,制得純度高的金紅石型二氧化鈦[11]。該方法制備的TiO2純度高,顆粒均勻,化學性質穩定,工藝簡單,環境污染小,易于工業化。

直接焙燒法,是把白炭黑和Ti(SO4)2作為原料,在加熱條件下加上合適的水和聚乙烯醇,再經過冷卻攪拌成糊狀,然后干燥、研磨,最后可獲得二氧化鈦粉體狀態；然后Ti(OH)4被碳酸鋅包裹,經過沉淀、過濾、洗滌、預焙燒[12],可以得到ZnO/H2TiO3 復合體,通過煅燒形成的Zn TiO3再次促進了 二氧化鈦晶體向金紅石的形態轉變。這種制備有利于低溫反應,粒子的生長受到抑制,因此不會發生團聚[13]。

3 結語

二氧化鈦具有較多優良特性,具有廣泛的應用前景,但由于制備因素的制約,工業化大批量生產依然是一個待解決問題。