流变相法制备锐钛型纳米二氧化钛及其表征

2021-11-02侯帅帅杨景红

化工时刊 2021年4期

侯帅帅杨景红

(淮南前景新材料有限公司,安徽淮南 232008)

纳米二氧化钛作为一种新型的无机精细化工产品，具有比表面积大、表面活性高、光吸收性能好且吸收紫外线能力强等独特的性能，广泛用于陶瓷、塑料、橡胶、纤维、高档涂料、传感器材料、化妆品添加剂和环境工程等领域[1]。在生产生活中扮演了越来越多的角色。其中锐钛型纳米二氧化钛以其优异的光催化性能，在废水处理、空气净化、抗菌等领域得到了良好应用[2]。实验室合成纳米二氧化钛的方法很多，归纳起来主要有：机械粉碎法、液相法(包括胶溶法、溶胶-凝胶法、醇盐水解法、沉淀法等)、气相法(包括气相氧化法、气相合成法、气相热解法、气相氢火焰水解法等)等方法[3-6]。上述一系列制备方法中，有些设备比较昂贵，有些生产过程比较复杂，还有些原料本身比较贵，生产成本过高，有些不符合绿色化学的理念，不易推广。所以寻找一个简单高效的方案成为科研工作者追求的目标。

本实验采用流变相法制备纳米二氧化钛。流变相法是一种合成纳米氧化物的新型方法,在流变体系中原料颗粒在溶液的界面上会表现出很奇特的反应特性,原料处于一种溶解与反应并存的状态即流变相态,不仅可以使反应物混合均匀,且不需要大量的溶剂[7]。具有工艺简单、能耗低、成本低、适合规模生产等优点。流变相法在锂电池的电极研发中使用非常普遍。本文以硫酸氧钛和苯甲酸为原料，采用流变相法制得锐钛矿纳米二氧化钛，得到了令人比较满意的结果。

1 实验部分

1.1 实验原理

以硫酸氧钛与苯甲酸为原料，制备纳米二氧化钛时先后发生如下反应：流变相状态下的硫酸氧钛与苯甲酸在水热条件下发生反应，生成不溶于水的前驱体苯甲酸钛，然后将前驱体苯甲酸钛放在马弗炉中，设置温度800 ℃煅烧2 h得到产物白色粉末状纳米二氧化钛。

1.2 实验药品与仪器

硫酸氧钛(分析纯)，成都西亚化工股份有限公司；苯甲酸(分析纯)，成都西亚化工股份有限公司；无水乙醇(分析纯)，成都西亚化工股份有限公司；丙酮(分析纯)，扬州市富齐化工有限公司；十二烷基苯磺酸钠(分析纯)，成都西亚化工股份有限公司；水为二次蒸馏水(自制)。

电热鼓风干燥箱(DHG-202型)，绍兴市上虞区沪越仪器设备厂；低速离心机(LC-LX-L50C型)上海力辰邦西仪器科技有限公司;高温箱式电阻炉(XH 1L-14型)，郑州鑫涵仪器设备有限公司。

用傅里叶变换红外光谱仪(NEXUS-470型，Nicolet公司)对前驱体进行定性分析；用X射线衍射仪(Rigaku D/MAX-Ultima Ⅲ，日本理学)对样品进行物相分析；用透射电子显微镜(JEM-2000型，日本JEOL公司)对样品微观形貌进行分析。

1.3 样品的制备

准确称取16 g(0.1 mol)硫酸氧钛、24.4 g(0.2 mol)苯甲酸以及0.2 g十二烷基苯磺酸钠(用做表面活性剂)于研钵中，将反应物均匀混合且研成粉末状，先加5 ml无水乙醇再加5 ml蒸馏水，边加边搅拌直至反应物呈流变相态，然后将反应物转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜里，把反应釜移入110 ℃烘箱中，恒温反应12 h，得到淡黄色粉末状固体。将反应产物转移至离心管中用丙酮清洗3次，再用无水乙醇清洗3次，得到白色固体产物。将产物置于80 ℃烘箱中恒温干燥4 h，即得反应前驱体苯甲酸钛，研磨后将前驱体苯甲酸钛放在高温变阻箱内，800 ℃煅烧2 h得到白色粉末状纳米氧化钛。

2 结果与讨论

2.1 傅里叶-红外光谱(FT-IR)分析

图1为苯甲酸钛的红外光谱，由图分析可以得出：在1 634 cm-1处的强吸收峰为苯甲酸钛中苯环的伸缩振动峰[8]，1 396 cm-1为COO-的伸缩振动峰[9]，1 200 cm-1～1 000 cm-1为苯环上C-O面外伸缩振动吸收带[10]，624 cm-1为Ti-O键的特征吸收峰[11]。根据上述分析可以得出结论：流变相法制备二氧化钛的前驱体为苯甲酸钛，纯度较高。

图1 前驱体苯甲酸钛的红外吸收光谱

2.2 X-射线衍射(XRD)分析

图 2为纳米二氧化钛产品的X射线衍射图，从图中可以看出，样品在2θ处的值分别为25.3、37.8、48.0、53.9、55.0、62.7、68.7、70.3、75.1处有衍射峰，与锐钛型TiO2标准峰位基本一致，所以可以得出结论：产物为锐钛矿二氧化钛。而且它的衍射峰相当尖锐，说明结晶度良好，经过计算可知二氧化钛结晶度约为96.36%，结晶度很好。图上无其它杂质相存在，说明产物纯度高；峰形较宽，表明颗粒尺寸非常细微。