板钛矿型TiO纳米颗粒的水热合成和生成过程模拟研究

摘要

纳米TiO<,2>具有许多优良性能，在新材料的设计上发挥着重要的作用。TiO<,2>在自然界中存在三种结晶形态：金红石(Rutile)、锐钛矿(Anatase)和板钛矿(Brookite)。前两种晶型在制备和应用方面的研究报道较多，而有关板钛矿晶型的研究报道则较少。板钛矿晶型的很多物化参数，如：折射率、理论密度、硬度等都位于其它两种晶型之间，性质较为相似。因此，在纳米TiO<,2>广泛应用的今天，从事板钛矿晶型的制备研究非常有意义。 本研究选用水热法，在水热温度120～250℃、保温时间18～30h、反应物浓度0.2～0.6M、pH值9～13的水热条件下，以TiCl<,4>和NaOH为原料制备板钛矿型TiO<,2>纳米粉体，确定了制备板钛矿型TiO<,2>纳米粉体的最佳水热工艺条件。同时本研究还借助XRD和SEM测试方法对产物的表面形貌、晶型和颗粒尺寸进行表征。测试结果表明：颗粒形貌为纺锤状，尺寸大小在50～100nm之间，尺寸均匀且形貌规整。 本研究使用Hyperchem7.5分子模拟软件对板钛矿基元的形成过程进行模拟，同时还模拟了该基元进一步脱水形成共点和共棱连接的多核络合物的结构图，并从能量的角度对结构的稳定存在性给予解释，直观描述了板钛矿TiO<,2>的形成过程以及强碱溶液中静电场的强制构型作用。模拟的结果以及能量的计算表明：在强碱溶液中，大量的羟基离子的存在会形成较大的静电场作用，此时羟合钛离子的正八面体结构在静电场的作用下会发生质子化反应，内部羟基脱水形成带有钛氧双键的六面体结构。当溶液浓度达到一定值，溶液中的单核络离子之间会发生质子化反应形成多核络离子。文中运用分子模拟软件建模发现，最终形成的多核络离子结构是由单核络离子面连接而成的，这与自然界中板钛矿的天然层状结构相一致。另外，文中还讨论了杂质离子Cl<'->对板钛矿基元形成的影响。结果表明：相对于静电场的作用，杂质离子Cl<'->的存在对板钛矿基元的形成影响不大。 本文的创新之处在于：以TiCl<,4>和NaOH为原料制备前驱物，用水热法制备板钛矿型TiO<,2>纳米粉体，并借助分子模拟软件对板钛矿生长基元的形成过程进行探讨。研究结果表明：通过该方法制备的纳米TiO<,2>产物，板钛矿占据主要晶型且形貌规整、尺寸均匀。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 TiO2的晶体结构与基本性质

1.3TiO2纳米颗粒的制备研究现状

1.3.1 TiO2纳米颗粒的制备方法

1.3.2水热法制备TiO2纳米颗粒

1.4纳米TiO2的优异性能及其应用领域

1.4.1光催化特性及应用

1.4.2奇异功能及应用

1.4.3新功能的高科技产品

1.5配位场理论及分子模拟软件在材料研究中的应用

1.5.1配位场理论概述

1.5.2配位场理论的应用概述

1.5.3分子模拟软件Hyperchem 7.5的相关说明

1.6板钛矿型纳米TiO2的研究现状

1.6.1国外研究现状

1.6.2国内研究现状

1.7板钛矿型纳米TiO2的发展趋势

1.8课题及立体依据

1.8.1研究目的意义

1.8.2问题的提出

1.8.3课题研究主要内容

1.9本章小结

第二章试样制备与表征

2.1实验用化学试剂

2.2实验用仪器设备

2.3板钛矿型TiO2纳米颗粒的制备过程

2.3.1主要化学反应

2.3.2工艺流程

2.3.3试样制备

2.4实验表征手段

2.4.1扫描电镜(SEM)

2.4.2 X射线粉末衍射分析(XRD)

2.5本章小结

第三章板钛矿型TiO2生成的工艺过程研究

3.1主要影响因素研究

3.1.1影响晶粒尺寸的主要因素分析

3.1.2影响晶型与形貌的主要因素分析

3.1.3影响晶化程度的主要因素分析

3.1.4最佳工艺条件确定

3.2本章小结

第四章板钛矿型TiO2生成机理的分子模拟研究

4.1水合络离子的形成

4.1.1八面体络合物的结构和性质

4.1.2八面体络合物中的电子排布

4.2水解机理分析

4.2.1水合络离子的水解

4.2.2多核络合物的形成

4.3分子模拟计算

4.3.1模型建立的前提条件

4.3.2计算方法

4.3.3水解过程模拟

4.4本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的与学位内容相关的学术论文

致谢

评定意见