化学沉淀法制备锐钛型介孔纳米二氧化钛粉体的研究

摘要

随着科学技术的进步，人们发现当材料的尺寸减小到超细时（＜0.1μm），材料的性质有了较大的变化，表现出一些新颖的特性，预示着新的应用前景。自从1992年美孚石油公司的科研人员首次研制出MCM-41介孔分子筛以来，有序介孔材料便因其优异的性能广阔的应用前景，引起了科研工作者的极大热情。二氧化钛介孔材料因其在光催化、传感器、太阳能电池、催化剂载体等方面具有种种潜在的用途而备受关注，已成为材料科学一个新的研究热点。对于该材料的合成研究当然是重中之重。 目前已有文献报道了几种该材料的制备方法，所得材料都具有高的比表面积、有序的孔结构、很窄的孔径分布，并可以实现在一定范围内孔径的调节，但几乎所有的方法都有一个共同的缺点：使用高成本的溶胶─凝胶法，即由钛的有机醇盐（如：钛酸丁酯）为原料，在模板剂的作用下采用无机酸为水解催化剂，有机溶剂为介质（如：无水乙醇等）先得到溶胶再转化为凝胶体，经干燥，焙烧制得。由于该方法生成本高（原料均为有机物），制备周期长（原料有机醇盐制备较复杂，同时必须有形成溶胶─凝胶过程），难以实现工业化扩大生产。 本文通过阅读大量文献，研究现状，主要做了以下几个方面的探索： 1．改进原有的沉淀法，通过加入少量的表面活性剂作模板剂，改善反应的微环境，控制颗粒的产生、生长、聚集、煅烧等各个步骤，来得到锐钛型介孔纳米二氧化钛粉体。通过正交试验来得到小试阶段的最佳工艺参数。除了少量的有机模板剂，整个反应以水为反应介质，无机物为原料，最大限度地降低成本，简化工艺，为后续的产业化目标打下基础。 2．采用了现代化仪器设备和手段对反应前驱物和最终产品进行测试表征，主要有：比表面积孔性能测试仪测试产品比表面积、孔径分布；用X射线衍射仪对样品晶粒粒径和晶型进行测定。TG-DTA对反应物前驱体的热反应加以分析；场发射高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察产品孔结构；原子力显微镜（AFM）和透射电镜（TEM）观察团聚体结构，粒度分布，产品形貌，光子相关光谱法测定粉体粒径分布。通过分析所得测试结果对本反应体系进行全程机理分析。 3．研究锐钛性纳米二氧化钛粉体分散性。通过采用分子相关光谱法研究粉体在不同分散体系（水溶液体系、非水体系）条件下的粒度分布，来研究在不同条件下（超声时间、PH值、分散剂、zeta电位）影响粉体分散性的关键因素。此项工作对于锐钛性介孔纳米二氧化钛粉体的合成以及今后的应用研究都具有非常重要的作用。 4．沉淀法制备锐钛型介孔纳米二氧化钛粉体的工业扩试研究。在试验室小试的基础上，结合中试厂具体的设备和条件，设计出扩试方案。结合试验结果对影响产品性能的工程因素作详细分析。 5．试验室小试产品具有如下性质：比表面积121m<’2>·g<’-1>，晶粒尺寸12nm，介孔平均孔径为10nm，介孔粉体粒径<100nm等特征具有较好热稳定性的锐钛型介孔纳米二氧化钛粉体。工业扩试产品具有如下性质：比表面积69m<'2>·g<'-1>，晶粒尺寸14nm，介孔平均孔径为16nm，多孔粉体粒径<100nm等特征具有较好热稳定性的锐钛型介孔纳米二氧化钛粉体。所得产品作催化剂载体所得结果大大优于普通锐钛型二氧化钛纳米粉体。 通过以上研究，达到了预期目的，取得了以下具有一定理论和工程价值的创新性研究成果： 1．首次采用了以少量有机物为模板剂的改进型沉淀法制备出了具有优良性质的锐钛型介孔纳米二氧化钛粉体。该工艺具有工艺简单、成本低廉、易于扩大等优点。该项研究未见报道。 2．对在本反应体系中锐钛型介孔纳米二氧化钛粉体形成的全过程进行了机理分析，在文中采用最弱环节理论，重点讨论了前驱物在煅烧条件下的孔结构形成机理。 3．通过了采用光子相关光谱法，分析了锐钛性纳米二氧化钛粉体的分散性。通过研究得到了使用该法测定锐钛性纳米二氧化钛粉体粒度分布的最佳条件。本研究结果不仅对锐钛性介孔纳米二氧化钛粉体制各研究大有帮助，同时完善了光子相关光谱法对锐钛性纳米二氧化钛粉体的粒度分布测定方法，该法具有：快速、精确、稳定、操作简单等优点，对产品在生产实际中的在线检测具有现实的意义。 4．本实验在中试工厂顺利扩试成功，为今后的产业化取得了第一手工程化数据，打下了坚实的基础。通过对中试产品结果的分析，找到了对产品影响的主要工程因素。本试验扩试的成功对该产品随后的性质和应用研究都具有重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章.介孔纳米二氧化钛粉体制备理论

第三章锐钛型介孔纳米二氧化钛粉体的制备与机理研究

第四章.锐钛型纳米TiO2粉体的分散性研究

第五章锐钛型介孔纳米二氧化钛粉体的中试研究

第六章结论

参考文献

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