納米二氧化鈦的制備研究進展

刁潤麗

摘 要： 納米二氧化鈦是一種重要的無機非金屬材料，因其結構上的納米尺寸，使它的性能優異，其制備及應用引起了廣泛關注。本文對其制備方法進行了綜述，并對比分析各方法的特點，指出了存在于納米二氧化鈦制備過程中的問題，并展望了其發展前景。

關鍵詞： 納米二氧化鈦;性能;制備;進展

1 前 言

納米材料是一類超細材料，粒徑在0.1—100nm結構范圍內，具有表面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應等一些特殊性能[1，2]。納米二氧化鈦是目前用的最為廣泛的無機納米材料之一，又被稱為納米鈦白粉。納米二氧化鈦價格低廉，資源豐富[3]。納米TiO2有優異的物理、化學及光電等性能，如光催化性、屏蔽紫外線功能及顏色效應等，高的熱導性、磁性，良好的透明性，優異的抗菌性，是新型光催化無機功能材料，且使用期間不會有自身損耗出現，因此應用廣泛[4-6]。隨著技術的發展，其應用領域會進一步拓展。

2 納米二氧化鈦的制備

制備納米二氧化鈦的方法有很多種，根據制備的原理及反應的性質可分為物理法和化學法兩大類，其中最常用、最主要的是化學法。

2.1 物理法

制備納米二氧化鈦最早采用的方法是物理法，這種方法通過高能消耗，“強制細化”材料得到產品。物理法又有粉碎法和氣相冷凝法兩種。氣相冷凝法是利用揮發或者蒸發操作使原料物變為氣相，接著在一定條件下冷凝制得納米產品，調節蒸發和冷凝的條件可以改變納米產品的粒徑。粉碎法采用的是機械性粉碎，用這種方法得到的產品純度很高，但是顆粒大小不一，對設備要求也很苛刻，因此這種方法只適用于要求較低的情況，局限性很大[7]。

2.2 化學法

納米二氧化鈦制備的重要方法是化學法，因其過程經常有化學反應伴隨而得名。化學法除了制備常規的納米二氧化鈦粉體，還可以得到其它形態，如納米晶須和納米管，這種方法較易控制產品的粒徑，同時對產品進行修飾或包覆處理很方便，可以使產品性質更優異、形狀更符合使用要求。目前化學法主要有氣相法、液相法和固相法三種。

2.2.1氣相法

氣相法制備納米二氧化鈦主要是通過一些方法使物料氣化，然后發生反應，最后通過冷卻凝聚成納米粒子[8]。氣相法得到的產品粒度小、表面活性大、分散性好、純度高，且該法可以連續化生產、反應速度較快;但該法要求在瞬間的高溫條件下完成反應，一方面需要物料在短時間內混合均勻，另一方面對設備提出了較高的要求，致使成本提高、能耗增大，這些對氣相法的發展和應用造成了非常不利的影響。

（1）氣相水解法。

氣相水解法的原理為：將四氯化鈦氣體導入700℃-1000℃的高溫氫氧焰中，通過高溫水解進行納米二氧化鈦的制備，或是將鈦醇鹽水解反應朝著氣相反應中轉移。該法自動化程度較高、工藝流程較短，通常能夠產生金紅石與銳鈦礦混合的粉體晶型。但是，因該工藝期間存在較高溫度，加之生成的氯化氫會嚴重腐蝕設備，有著較高的設備材質要求，故而在工業化生產中未能得到廣泛應用[9]。

（2）鈦醇鹽氣相分解法。

鈦醇鹽氣相分解法采用的原料是鈦醇鹽，使用的載氣可以從空氣、氧氣或氮氣中選擇，通過加熱產生鈦醇鹽蒸汽，然后將其送入熱分解爐中，進行分解反應，制得納米二氧化鈦。該方法得到產品表面活性大、分散性好，可連續生產且反應速度較快，然而在很多方面仍需改進，如反應的加熱方式、進料方式、收集產物顆粒的方法、設備的材質和型式等，且原料價格也頗為昂貴[10]。

（3）等離子體化學合成法。

制備納米二氧化鈦的熱等離子法的基本原理：先采用氮氣、氫氣或者氬氣產生高溫等離子流，這里邊有很多離子分子或者原子，它們的活性非常高，因此可以在前驅體的表面快速吸附，然后熔融并氣化，進一步生長成核，這時候等離子體與周圍環境的溫度相差巨大，可以快速冷卻，進而制備高純度的產品。此法得到的納米二氧化鈦粒徑小、純度高、分散性好，但由于條件要求太高，很難實現大規模、工業化生產[11]。

2.2.2 液相法

液相法首先是金屬鹽的選擇，使其在有機溶劑或水中溶解，以分子離子狀均勻分散，然后用沉淀劑將金屬離子沉淀出來，或者在一定條件下將其結晶出來，最后熱分解或脫水得到產品。液相法原料來源廣、反應條件易實現、設備簡單、成本低等，是目前實驗室和工業上都廣為采用的納米粉體制備方法[12]。

（1）溶膠-凝膠法。

近年來制備納米二氧化鈦用的比較多的方法還有溶膠-凝膠法。其制備原理：原料采用鈦的無機鹽或鈦醇鹽，首先水解和縮聚得到溶膠，進一步縮聚成凝膠，然后干燥制得納米二氧化鈦產品。該法制得的產品粒徑小、純度高，工藝簡單、反應條件溫和，但是得到的納米產品分散性不好，且成本較高[13]。

（2）微乳液法。

微乳液法是制備納米二氧化鈦的一種新方法，微乳液是由互不相溶的液體組成的非均勻液體混和物。該法的制備原理是借助表面活性劑使互不相溶的兩種溶劑首先形成均勻乳液，然后微乳液間進一步反應可得到納米二氧化鈦，還可以繼續煅燒、晶化得到晶型二氧化鈦。該方法設備簡單、操作容易，得到的產品粒徑小且均勻可控，但是反應需要的穩定的微乳液體系不易制得。

（3）沉淀法。

沉淀法是制備納米二氧化鈦的一種相對比較簡單的方法，包括直接沉淀法和均勻沉淀法兩種。最早使用的是直接沉淀法，沉淀物一般為膠狀物，過濾、洗滌難度較大，而且產品中易混入沉淀劑，影響分散性及純度，現在極少采用這種方法。均勻沉淀法較是在直接沉淀法的基礎上發展起來的，其制備原理：將沉淀劑加入金屬鹽溶液中，發生化學反應，從溶液中析出金屬氫氧化物或其鹽類、沉淀劑，然后經過洗滌、過濾、干燥、脫水等一系列處理得到納米產品。該法成本低，但工藝路線復雜，產品粒徑不均且易有雜質混入[14]。

（4）水熱法。

溶劑熱法可用來制備二氧化鈦，因常用的溶劑是水，故稱水熱法。該方法的反應場所為密閉反應釜，介質為水，一定的恒溫條件下，將難溶或不溶物先溶解再重結晶，最后洗滌、干燥即可制得納米粉體。水熱法制得的納米二氧化鈦粒度小且均勻可控，純度高，成本低，容易實現大規模生產[15]。

2.2.3固相法

固相法包括固體混合法和直接焙燒法兩種。

固體混合法是指用二氧化鈦和分子篩作為反應原料，然后將其二者一同放入到研缽中，同時還需要無水乙醇的輔助添加作用一起研磨，再通過干燥、烘干、煅燒等熱處理得到所需產物的方法。這種制備方法操作簡單易行，得到的產品顆粒均勻，而且對環境的污染程度較輕，除此以外，制備出的二氧化鈦的化學性質還比較穩定，有廣闊的應用前景。

直接焙燒法是利用白炭黑和 Ti（SO4）2 作反應物，然后加入反應溶劑為水和聚乙烯醇的混合液，加熱一段時間后，通過冷卻，用玻璃棒攪拌為糊狀，使用干燥箱將其完全干燥，最后經過研磨制得二氧化鈦粉體。這種方法因其易操作的簡易性而得到人們的青睞，但劣勢是：得到粉體的顆粒直徑分布較為寬泛，材料品質較為粗糙[16]。

3結論

納米二氧化鈦的研究盡管起步晚，但是經過不懈的刻苦努力，已取得了很大的進展。今后應充分發揮我國鈦資源豐富的優勢，開發出具有特色的新工藝，研究出更簡潔、經濟的納米二氧化鈦制備方法，擴大工業化生產，并不斷深入對納米二氧化鈦的研究，推動經濟與社會效益的提升，使其能更好地服務于人類。

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