金紅石型TiO2及TiO2-SnO2固溶體納米晶的低溫制備方法研究.pdf

1、金紅石型TiO2和TiO2-SnO2固溶體材料是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用非常廣泛的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于建筑材料、精細(xì)化工、氣體傳感、水污染處理與廢氣治理等領(lǐng)域。但是目前這兩種材料主要通過(guò)高溫固相合成制備，高溫?zé)Y(jié)過(guò)程導(dǎo)致粒子嚴(yán)重團(tuán)聚，粒徑變大，比表面積減小，對(duì)其光催化、氣敏或是其他性能有不利影響。因此研究發(fā)展新的合成路徑來(lái)降低燒結(jié)溫度或者避免燒結(jié)過(guò)程，直接得到納米金紅石相TiO2、 TiO2-SnO2固溶體材料，具有重要的理論意義和應(yīng)

2、用價(jià)值。
　　 本論文把傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法、水熱合成法以及晶型誘導(dǎo)生長(zhǎng)法有機(jī)結(jié)合，把通過(guò)溶膠-凝膠法得到的前驅(qū)體溶膠直接進(jìn)行水熱處理，發(fā)展了一種無(wú)需經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)直接制備得到納米金紅石型TiO2的制備方法。該方法相對(duì)于一般晶型誘導(dǎo)法有效減少了晶型誘導(dǎo)劑的用量，從而降低了所得產(chǎn)物中Sn4+的摻雜量，提高了產(chǎn)品的純度。同時(shí)，采用本方法，調(diào)節(jié)Sn4+的摻雜量還可以無(wú)需高溫?zé)Y(jié)直接合成一系列不同組分的TiO2-SnO2納米固溶體材料。由于

3、避免了高溫?zé)Y(jié)過(guò)程，因此所得產(chǎn)物的顆粒細(xì)小均勻，比表面積大，其微觀結(jié)構(gòu)性能等均有所改善。此外，本論文還對(duì)酸催化劑種類以及晶型誘導(dǎo)劑用量等對(duì)金紅石相TiO2納米晶制備反應(yīng)過(guò)程的影響進(jìn)行了探討。
　　 所得反應(yīng)產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)性能分別利用XRD，TEM，BET等手段進(jìn)行分析表征。
　　 本論文主要研究結(jié)論如下:
　　 (1)本論文綜合溶膠-凝膠法、水熱合成法以及晶型誘導(dǎo)生長(zhǎng)法各自的優(yōu)點(diǎn)，以鈦酸四丁酯為鈦源，S

4、nCl4·5H2O為晶型誘導(dǎo)劑，在檸檬酸和乙二醇的輔助下形成透明澄清的穩(wěn)定溶膠，然后在水熱條件下直接得到了金紅石相TiO2納米晶顆粒。通過(guò)溶膠-凝膠法處理得到溶膠前驅(qū)體可以使反應(yīng)物中的Ti(Ⅳ)和晶型誘導(dǎo)劑中的Sn(Ⅳ)在分子水平上均勻混合，水熱處理則保證所制得的產(chǎn)物顆粒細(xì)小、晶粒發(fā)育完整，同時(shí)避免了高溫?zé)Y(jié)過(guò)程容易導(dǎo)致的顆粒團(tuán)聚。所得產(chǎn)物經(jīng)XRD分析為金紅石型TiO2，TEM照片顯示顆粒細(xì)小，分散性良好，粒徑分布均勻，平均粒徑在8nm

5、左右。
　　 (2)晶型誘導(dǎo)劑的用量和酸催化劑自身的氧化還原性能對(duì)反應(yīng)過(guò)程有重要的影響作用。增加晶型誘導(dǎo)劑的用量有利于金紅石相TiO2的生成，本論文試驗(yàn)研究中添加晶型誘導(dǎo)劑Sn4+含量至15％后，通過(guò)水熱處理直接得到了金紅石型TiO2納米粒子。酸性環(huán)境對(duì)金紅石相的形成有促進(jìn)作用，但酸催化劑本身的氧化還原性能也對(duì)制備過(guò)程有很大影響。本論文通過(guò)大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)相同實(shí)驗(yàn)條件下，氧化性酸催化劑硝酸、硫酸的存在使樣品中金紅石相二氧化鈦

6、的衍射峰更加明顯，而還原性酸催化劑鹽酸的存在則會(huì)抑制了金紅石相二氧化鈦的生成，且鹽酸加入量越多越難以生成金紅石相。
　　 (3)在結(jié)論(1)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加反應(yīng)原料中SnCl4·5H2O的用量，將本論文發(fā)展的合成方法延伸應(yīng)用于金紅石相TiO2-SnO2固溶體材料的制備，可不需經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)直接合成Sn4+摩爾含量大于15％的任意Ti4+/Sn4+摩爾比的金紅石相TiO2-SnO2固溶體納米材料。采用本方法所得固溶體產(chǎn)物物相純凈，