纳米二氧化钛的制备研究进展

刁润丽

摘 要： 纳米二氧化钛是一种重要的无机非金属材料，因其结构上的纳米尺寸，使它的性能优异，其制备及应用引起了广泛关注。本文对其制备方法进行了综述，并对比分析各方法的特点，指出了存在于纳米二氧化钛制备过程中的问题，并展望了其发展前景。

关键词： 纳米二氧化钛;性能;制备;进展

1 前 言

纳米材料是一类超细材料，粒径在0.1—100nm结构范围内，具有表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊性能[1，2]。纳米二氧化钛是目前用的最为广泛的无机纳米材料之一，又被称为纳米钛白粉。纳米二氧化钛价格低廉，资源丰富[3]。纳米TiO2有优异的物理、化学及光电等性能，如光催化性、屏蔽紫外线功能及颜色效应等，高的热导性、磁性，良好的透明性，优异的抗菌性，是新型光催化无机功能材料，且使用期间不会有自身损耗出现，因此应用广泛[4-6]。随着技术的发展，其应用领域会进一步拓展。

2 纳米二氧化钛的制备

制备纳米二氧化钛的方法有很多种，根据制备的原理及反应的性质可分为物理法和化学法两大类，其中最常用、最主要的是化学法。

2.1 物理法

制备纳米二氧化钛最早采用的方法是物理法，这种方法通过高能消耗，“强制细化”材料得到产品。物理法又有粉碎法和气相冷凝法两种。气相冷凝法是利用挥发或者蒸发操作使原料物变为气相，接着在一定条件下冷凝制得纳米产品，调节蒸发和冷凝的条件可以改变纳米产品的粒径。粉碎法采用的是机械性粉碎，用这种方法得到的产品纯度很高，但是颗粒大小不一，对设备要求也很苛刻，因此这种方法只适用于要求较低的情况，局限性很大[7]。

2.2 化学法

纳米二氧化钛制备的重要方法是化学法，因其过程经常有化学反应伴随而得名。化学法除了制备常规的纳米二氧化钛粉体，还可以得到其它形态，如纳米晶须和纳米管，这种方法较易控制产品的粒径，同时对产品进行修饰或包覆处理很方便，可以使产品性质更优异、形状更符合使用要求。目前化学法主要有气相法、液相法和固相法三种。

2.2.1气相法

气相法制备纳米二氧化钛主要是通过一些方法使物料气化，然后发生反应，最后通过冷却凝聚成纳米粒子[8]。气相法得到的产品粒度小、表面活性大、分散性好、纯度高，且该法可以连续化生产、反应速度较快;但该法要求在瞬间的高温条件下完成反应，一方面需要物料在短时间内混合均匀，另一方面对设备提出了较高的要求，致使成本提高、能耗增大，这些对气相法的发展和应用造成了非常不利的影响。

（1）气相水解法。

气相水解法的原理为：将四氯化钛气体导入700℃-1000℃的高温氢氧焰中，通过高温水解进行纳米二氧化钛的制备，或是将钛醇盐水解反应朝着气相反应中转移。该法自动化程度较高、工艺流程较短，通常能够产生金红石与锐钛矿混合的粉体晶型。但是，因该工艺期间存在较高温度，加之生成的氯化氢会严重腐蚀设备，有着较高的设备材质要求，故而在工业化生产中未能得到广泛应用[9]。

（2）钛醇盐气相分解法。

钛醇盐气相分解法采用的原料是钛醇盐，使用的载气可以从空气、氧气或氮气中选择，通过加热产生钛醇盐蒸汽，然后将其送入热分解炉中，进行分解反应，制得纳米二氧化钛。该方法得到产品表面活性大、分散性好，可连续生产且反应速度较快，然而在很多方面仍需改进，如反应的加热方式、进料方式、收集产物颗粒的方法、设备的材质和型式等，且原料价格也颇为昂贵[10]。

（3）等离子体化学合成法。

制备纳米二氧化钛的热等离子法的基本原理：先采用氮气、氢气或者氩气产生高温等离子流，这里边有很多离子分子或者原子，它们的活性非常高，因此可以在前驱体的表面快速吸附，然后熔融并气化，进一步生长成核，这时候等离子体与周围环境的温度相差巨大，可以快速冷却，进而制备高纯度的产品。此法得到的纳米二氧化钛粒径小、纯度高、分散性好，但由于条件要求太高，很难实现大规模、工业化生产[11]。

2.2.2 液相法

液相法首先是金屬盐的选择，使其在有机溶剂或水中溶解，以分子离子状均匀分散，然后用沉淀剂将金属离子沉淀出来，或者在一定条件下将其结晶出来，最后热分解或脱水得到产品。液相法原料来源广、反应条件易实现、设备简单、成本低等，是目前实验室和工业上都广为采用的纳米粉体制备方法[12]。

（1）溶胶-凝胶法。

近年来制备纳米二氧化钛用的比较多的方法还有溶胶-凝胶法。其制备原理：原料采用钛的无机盐或钛醇盐，首先水解和缩聚得到溶胶，进一步缩聚成凝胶，然后干燥制得纳米二氧化钛产品。该法制得的产品粒径小、纯度高，工艺简单、反应条件温和，但是得到的纳米产品分散性不好，且成本较高[13]。

（2）微乳液法。

微乳液法是制备纳米二氧化钛的一种新方法，微乳液是由互不相溶的液体组成的非均匀液体混和物。该法的制备原理是借助表面活性剂使互不相溶的两种溶剂首先形成均匀乳液，然后微乳液间进一步反应可得到纳米二氧化钛，还可以继续煅烧、晶化得到晶型二氧化钛。该方法设备简单、操作容易，得到的产品粒径小且均匀可控，但是反应需要的稳定的微乳液体系不易制得。

（3）沉淀法。

沉淀法是制备纳米二氧化钛的一种相对比较简单的方法，包括直接沉淀法和均匀沉淀法两种。最早使用的是直接沉淀法，沉淀物一般为胶状物，过滤、洗涤难度较大，而且产品中易混入沉淀剂，影响分散性及纯度，现在极少采用这种方法。均匀沉淀法较是在直接沉淀法的基础上发展起来的，其制备原理：将沉淀剂加入金属盐溶液中，发生化学反应，从溶液中析出金属氢氧化物或其盐类、沉淀剂，然后经过洗涤、过滤、干燥、脱水等一系列处理得到纳米产品。该法成本低，但工艺路线复杂，产品粒径不均且易有杂质混入[14]。

（4）水热法。

溶剂热法可用来制备二氧化钛，因常用的溶剂是水，故称水热法。该方法的反应场所为密闭反应釜，介质为水，一定的恒温条件下，将难溶或不溶物先溶解再重结晶，最后洗涤、干燥即可制得纳米粉体。水热法制得的纳米二氧化钛粒度小且均匀可控，纯度高，成本低，容易实现大规模生产[15]。

2.2.3固相法

固相法包括固体混合法和直接焙烧法两种。

固体混合法是指用二氧化钛和分子筛作为反应原料，然后将其二者一同放入到研钵中，同时还需要无水乙醇的辅助添加作用一起研磨，再通过干燥、烘干、煅烧等热处理得到所需产物的方法。这种制备方法操作简单易行，得到的产品颗粒均匀，而且对环境的污染程度较轻，除此以外，制备出的二氧化钛的化学性质还比较稳定，有广阔的应用前景。

直接焙烧法是利用白炭黑和 Ti（SO4）2 作反应物，然后加入反应溶剂为水和聚乙烯醇的混合液，加热一段时间后，通过冷却，用玻璃棒搅拌为糊状，使用干燥箱將其完全干燥，最后经过研磨制得二氧化钛粉体。这种方法因其易操作的简易性而得到人们的青睐，但劣势是：得到粉体的颗粒直径分布较为宽泛，材料品质较为粗糙[16]。

3结论

纳米二氧化钛的研究尽管起步晚，但是经过不懈的刻苦努力，已取得了很大的进展。今后应充分发挥我国钛资源丰富的优势，开发出具有特色的新工艺，研究出更简洁、经济的纳米二氧化钛制备方法，扩大工业化生产，并不断深入对纳米二氧化钛的研究，推动经济与社会效益的提升，使其能更好地服务于人类。

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