正钛酸的制备及应用研究进展

伍　雪，蓝德均

(攀枝花学院生物与化学工程学院，四川　攀枝花　617000)



正钛酸的制备及应用研究进展

伍雪，蓝德均

(攀枝花学院生物与化学工程学院，四川攀枝花617000)

综述了正钛酸的理化性质、制备方法及应用。正钛酸作为两性物质，具有很高的反应活性，正逐渐成为学术界在新型能源方面的研究重点。从正钛酸的制备及应用出发，详细介绍了在正钛酸制备过程中中间物TiOSO4溶液的制备、以氢氧化钠或氨水作反应剂制备正钛酸以及不产生中间物而制备出正钛酸的情形。同时，详细介绍了正钛酸在钛酸盐陶瓷、TiO2光催化剂等领域的应用。

正钛酸；性质；制备；应用

正钛酸，白色非晶态固体，无定型化合物，又称为α钛酸。正钛酸是两性物质,可溶于热浓碱液中，在常温下溶于稀盐酸、稀硫酸等无机酸和酸性较强的有机酸中。在水和醇中不溶，但在水中易转化为胶体。正钛酸经热水洗涤、加热或长时间真空干燥失水而转变为偏钛酸。一般室温下由可溶性钛化合物沉淀出正钛酸，但若温度稍高，如高于50 ℃，生成物则部分或全部转化为偏钛酸[1-2]。但正钛酸因其反应活性高，作为新型能源的重要原材料之一，正逐渐成为学术研究者的研究重点。本文综述了正钛酸在制备以及应用等方面的进展。

1　实　验

1.1TiOSO4溶液的制备

国内制备TiOSO4溶液主要有两种方法。其一，向工业偏钛酸中加入5%的氨水及2%～5%的稀盐酸溶液除掉偏钛酸中杂质，在磁力搅拌条件下加热至95 ℃，使沉淀与浓硫酸充分反应，完全溶解后即得TiOSO4溶液。为了得到符合要求的TiOSO4溶液，部分杂质可通过加入适量的活性炭除去[3-4]。其二，加入适量的浓硫酸于工业偏钛酸中，磁力搅拌并加热。待溶液沸腾30 min后，可以看见偏钛酸大部分溶解。将制得的溶液静置两周左右，固液分离后即得符合要求的TiOSO4溶液[5]。

1.2正钛酸的制备(由TiOSO4溶液)

1.2.1氢氧化钠作反应剂

1.2.2氨水作反应剂

在磁力搅拌条件下，将0.1%～0.5% 的以乙烯醚、十二烷基苯磺酸为主要成份的自制新型表面活性剂中加入所制备的TiOSO4溶液中，待溶液反应一段时间后，慢慢地加入10%的氨水溶液，直到溶液pH值为5～7。此时即得到正钛酸前驱体[10-11]。

特别注明，用蒸馏水稀释TiOSO4溶液4～6倍，并在磁力搅拌条件下快速加入氨水，直至pH调节至3～5，也可以得到白色的正钛酸沉淀。但与前面的方法相比，此方法存在以下缺陷：(1)制备同等质量的正钛酸，本方法所需氨水量偏多；(2)此方法所制备的正钛酸在纯净度方面赶不上前面的方法；(3)此方法对操作人员技术要求过高，实验失败的可能性较大。

1.3正钛酸的制备

除了上面介绍的向TiOSO4溶液中加入NaOH溶液制备正钛酸的方法外，还可通过把碱液直接加入偏钛酸溶液中制取。此方法的原理主要是偏钛酸与碱液反应生成正钛酸钠，而溶液中的水又会和正钛酸钠反应，水解后生成氢氧化钠和正钛酸[12-14]。虽然此种方法所制备的正钛酸纯度不是很高，但仍可将该正钛酸用来制备热稳定性好、分散性好、粒度均匀的混晶型二氧化钛纳米催化剂。相对而言，此种方法使得生产纳米二氧化钛工艺更为简单，极大程度降低了生产成本，便于工业化生产。

2　正钛酸的应用

2.1在陶瓷方面的应用

通过正钛酸制备钛酸盐的方法主要有两种。其一，以氨水、双氧水为溶剂，硝酸盐为盐源，正钛酸为钛源，通过一系列反应制备出钛酸盐粉体[15]。此方法制得的粉体晶粒尺寸约为20 nm，反应时间短，操作简单，且反应所使用的双氧水数量与采用复合过氧化物法相比，明显减少。此方法适合大规模生产，有较高的实用价值。第二种方法，向正钛酸中加入适量草酸，在一定温度和pH条件下，反应生成草酸氧钛，而盐类的氯化物与草酸氧钛反应又会生成草酸氧钛酸盐沉淀。这时，将获得的草酸氧钛酸盐进行高温煅烧，就可以得到钛酸盐[16-18]。此法的优点之一就是生产成本明显低于将偏钛酸作为钛源的过程。

2.2在TiO2光催化剂方面的应用

近年来，随着有关氧化钛电极上光分解水的相关论文的发表，TiO2的研究一度成为热点[19]。研究表明，二氧化钛具有催化杀菌、有机污染物废水处理、空气净化以及自洁净的作用。由此，不难看出，二氧化钛的合理利用可以缓解环境污染[20-21]。其中，二氧化钛的作用之一，即具有催化杀菌作用，不仅能缩短细菌的生命力，还能破坏其细胞膜结构，彻底杀死细菌[22]。

在制备二氧化钛的过程中，大多数方法是以钛醇盐为前驱体，但该方法会导致生产成本较高，无法达到广泛的应用。为降低成本，可使用更为方便的正钛酸。由正钛酸通过胶溶法制备出纳米TiO2薄膜，其具有以下优点：(1)具有固定催化剂可重复利用的优点[23]；(2)由于其尺寸细微而具有纳米效应和高活性[24-26]；(3)不会存在悬浮相催化剂容易中毒和稳定性差的缺点等。因此，此种方法可得到广泛的应用。

将正钛酸和尿素的混合物进行高温煅烧，对二氧化钛进行掺杂，可制备出光催化效率显著提高的氮掺杂纳米二氧化钛。另外，使用相同方法可制备出具有抗菌自洁能力的载银纳米二氧化钛薄膜，该薄膜对甲基橙的光催化降解率相比其它薄膜而言，有着明显的提高。其中，尤以硝酸银的掺杂效果较优，而3%又为最佳载银量[27-28]。

3　结　语

一直以来，正钛酸因其为两性氢氧化物，且反应活性高，在制备纳米二氧化钛方面表现出较好的经济效应而受到研究者的关注。但在如何制备出更高纯度的正钛酸方面，仍需探索。目前，关于正钛酸在钛酸盐陶瓷以及纳米二氧化钛薄膜等方面的应用研究还远远不够，这应该引起相关领域研究者的注意。基于正钛酸优良的理化性质，随着研究的深入，它必将展现出广阔的发展前景。

[1]天津大学无机化学教研室.无机化学[M].北京:高等教育出版社,2010:375-379.

[2]权新军.无机化学简明教程[M].北京:科学出版社,2009:241-243.

[3]安立超,曾桁,李海燕,等.载银TiO2催化剂的制备与性能研究[J].环境污染治理技术与设备, 2001,2(4):30-33.

[4]Sekine Y, Nishimura A. Removal of formaldehyde from indoor air by passive type air-cleaning materials[J].Atmospheric Environment,2001,11(35):2001-2007.

[5]王佳,彭兵,柴立元,等.稳定纳米二氧化钛水溶胶的制备研究[J].中国陶瓷工业, 2007,14(2):1-2.

[6]天津大学物理化学教研室.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2001:301-305.

[7]彭兵,刘立强,柴立元,等.具有可见光光催化活性N掺杂纳米二氧化钛的制备和表征[J].中南大学学报,2009,40(4):945-948.

[8]韦顺文,柴立元,彭兵,等.前躯体对载银二氧化钛粉体结构和抗菌性能的影响[J].中南大学学报,2008,39(4):653-657.

[9]Sauer M L, Ollis D F. Photocatalyzed oxidation of ethanol and acetaldehyde in humidified air[J]. Catal,1996, 158(2):570-582.

[10]张云,赵浪,许秀娟,等.正钛酸胶溶法制纳米TiO2薄膜及性能表征[J].无机化学学报, 2004,8(8):992-995.

[11]李梅,王庆瑞.抗菌材料的发展及其应用[J].化工新型材料,1998, 6(5): 8-11.

[12]张汝冰,高濂.以正钛酸为原料制备纳米TiO2光催化剂[J].无机材料学报,2002,17(2): 254-258.

[13]吴建锋,徐晓红,冯晋阳,等.无机抗菌剂的制备及抗菌效果的研究[J].中国陶瓷工业,1999,6(3): 10-12.

[14]黄汉生.日本抗菌、防霉剂的开发与应用近况[J].现代化工,1997,11(5):40-42.

[15]陈妍妍,张云,王晓燕.化学沉淀法制备BaTiO3纳米粉体的研究[J].化学学报, 2010,68(23):2409-2413.

[16]邹建新,杨成.工业钛液制备钛酸钡实验研究[J].冶金工程,2014,34(1): 75-76.

[17]黄玲,罗其荣,钟家柽,等.在硝酸体系中用草酸共沉淀法制备BaTiO3[A].第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C].重庆,2001:1002-1003.

[18]杨成.一种钛酸钡制备方法实验研究[J].无机盐工业,2014,46(8):47-49.

[19]Fujishima A, Honda K. Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode[J]. Nature,1972,238(58):37-38.

[20]Ulrike Diebold. The Surface Science of Titanium Dioxide[J]. Surface Science Reports, 2003,48(5):53-229.

[21]Mardare D,Tasca M,Delibas M, et al. On the structural properties and optical transmittance of TiO2r.f. sputtered thin films[J]. Applied Surface Science,2000,156(1-4):200-206.

[22]刘立强.掺杂改性型纳米二氧化钛的制备与性能表征[D].长沙:中南大学环境工程学院,2009.

[23]李湘洲.抗菌陶瓷材料的现状与趋势[J].陶瓷,2000,28(5):13-15.

[24]Brus L. Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and theory[J]. The Journal of Physical Chemistry,1986,90(12):2555-2560.

[25]Dong Xiangting, Liu Guixia, Zhang Wei, et al. Nanocrystalline SnO2synthesized by means of hydrothermal precipitation[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2000, 29(3):197-199.

[26]Dong Xiangting, Liu Guixia, Sun Jing, et al. Preparation of CeO2nanoparticles hydrosol[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2002,31(3):229-231.

[27]王佳.陶瓷釉面抗菌自洁薄膜的制备工艺和性能研究[D].长沙:中南大学环境工程学院,2007.

[28]苑春.载银二氧化钛复合微粉的制备及抗菌性能表征[D].长沙:中南大学环境工程学院,2005.

Research Progress on Preparation and Application of Titanic Acid

WU Xue, LAN De-jun

(Department of Biological and Chemical Engineering, Panzhihua University, Sichuan Panzhihua 617000, China)

The physical, chemical properties and the preparation methods of the titanic acid were reviewed. Titanic acid became the research focus in new energy source because of its high reactive activity and amphoteric property. For the preparation and application of titanic acid, the information was introduced on TiOSO4solution preparation as intermediate product of the process, reactions with NaOH or NH3·H2O, and the preparation of titanic acid without the intermediate. Furthermore, the application of the titanic acid in the field of ceramics, titanium dioxide photo-catalyst was introduced in detail.

titanic acid; property; preparation; application

伍雪(1994-)，女，无机功能材料方向。

蓝德均(1975-)，男，博士，副教授，主要从事太阳能电池研究。

TQ134.11

A

1001-9677(2016)014-0026-03