二氧化鈦的制備方法和應用研究

汪 洋 劉嘉怡 林哲璇 楊志瀚

華南農業(yè)大學電子工程學院 廣東 廣州 511000

二氧化鈦,白色粉末,四方晶體。20世紀科學家首次發(fā)現二氧化鈦的光催化特性,并對二氧化鈦特性進行深入研究,發(fā)現二氧化鈦薄膜具備多種優(yōu)良特性。

1 二氧化鈦物質特性

二氧化鈦是一種寬禁帶半導體,具備良好的光催化特性,通過氧化還原反應降解大部分有機物[1],因此可以用于危險廢物的氧化分解和控制有毒物。將二氧化鈦加入陶瓷中,煅燒后的陶瓷抗菌,不易脫落、且具有自清潔能力[2]。并且二氧化鈦納米材料具有較大的比表面積,在參與化學反應時,反應效率高于其他材料[3]。二氧化鈦是一種無毒、環(huán)保、耐腐蝕的材料,是常用的抗菌劑,被廣泛應用與醫(yī)療衛(wèi)生中。李達等通過超聲噴霧熱解法制備薄膜,實驗檢驗在一定溫度下二氧化鈦對大腸桿菌有抑菌性[4]。此外二氧化鈦具有較好的親水性。二氧化鈦在光照條件下產生電子和空穴,具備光電特性,可用于制作太陽能電池。

2 二氧化鈦的制備方法

2.1 氣相法 化學氣相沉積法,它是一種制備薄膜的傳統(tǒng)技術,是指將攜帶所需原子的兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導入到一個反應室內,他們相互之間發(fā)生化學反應,在襯底上沉積,形成含有雜質的化合物薄膜。但在反應室中發(fā)生的反應機理較為復雜,只有發(fā)生在氣相和固相相交的界面處才可以在襯底上形成薄膜[5]。相對而言,此方法操作時需要考慮的因素過多,如兩種氣相化合物的比率,沉積速率,襯底的溫度,反應室的壓力等。

金屬有機化學氣相沉積法,是一種新的制膜技術,可以通過控制液體的金屬有機分子,精確控制氣體的流量達到控制薄膜組分的目的[6]。但是使用這種方法對原材料的精度要求高,高純度的金屬化合物難以獲得,且易燃易爆,毒性也大,對其反應后的尾氣需要進行嚴格的處理。并且所需的儀器設備較為昂貴,使得薄膜無法進行大批生產。

常壓化學氣相沉積法,是常用的一種制膜技術,能夠實現大面積并且連續(xù)制膜,可有效降低制造成本。使用此方法時,氣相內以及氣相和固相之間發(fā)生的化學反應由氣體的輸送過程控制,該過程對化學氣相沉積的結果有著至關重要的作用[7]。

2.2 液相法 溶膠凝膠法,是20世紀80 年代以來逐步發(fā)展的一種制備薄膜的方法。這種方法是用20ml的乙二醇甲醚和10ml冰醋酸作為共溶劑,再和不同濃度的Ag NO3溶液制成混合溶液1,再利用鈦酸四丁酯和乙酰丙酮制成混合溶液2,將混合溶液2逐滴加入混合溶液1,在室溫下避光攪拌2小時,過濾后靜置24小時得到二氧化鈦凝膠。之后將二氧化鈦溶膠溶液滴于經過高溫處理的ITO 玻璃基板上進行甩膜,每次甩完膜后在烘烤機上以200°C烤30min,靜置2min,以這樣的步驟在ITO 玻璃基板上鍍5層TiO2薄膜。這種二氧化鈦制備方法的優(yōu)點是成膜較容易且成膜所需溫度比較低[8]。

水熱法,是一種將反應物放入密閉反應釜中,通過控制溶液壓力和溫度的制備方法。此方法是以TiCl4為原料制成前驅體,將前軀體倒于有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜內,在一定的溫度進行水熱反應,得到二氧化鈦薄膜[9]。這種方法的優(yōu)點是不需要煅燒,制得的晶粒粒徑小,缺點是對反應釜的要求比較高,操作過程比較復雜。

2.3 固相法 固相反應,是有固體物質參與進入化學反應過程,它是固相法制備二氧化鈦的基礎[10]。

固體混合法,是一種具有廣闊應用空間的方法。將二氧化鈦和分子篩置于研缽中,加入無水乙醇后,經過一起研磨、干燥、煅燒等步驟,得到TiO2粉末。最后利用高能球磨方法,以FeTiO3作為原料,制得純度高的金紅石型二氧化鈦[11]。該方法制備的TiO2純度高,顆粒均勻,化學性質穩(wěn)定,工藝簡單,環(huán)境污染小,易于工業(yè)化。

直接焙燒法,是把白炭黑和Ti(SO4)2作為原料,在加熱條件下加上合適的水和聚乙烯醇,再經過冷卻攪拌成糊狀,然后干燥、研磨,最后可獲得二氧化鈦粉體狀態(tài)；然后Ti(OH)4被碳酸鋅包裹,經過沉淀、過濾、洗滌、預焙燒[12],可以得到ZnO/H2TiO3 復合體,通過煅燒形成的Zn TiO3再次促進了 二氧化鈦晶體向金紅石的形態(tài)轉變。這種制備有利于低溫反應,粒子的生長受到抑制,因此不會發(fā)生團聚[13]。

3 結語

二氧化鈦具有較多優(yōu)良特性,具有廣泛的應用前景,但由于制備因素的制約,工業(yè)化大批量生產依然是一個待解決問題。