水热法制备纳米TiO2及影响因素的研究

毕业论文题目：水热法制备纳米TiO2及影响因素的研究学院：物理与电子工程学院专业：物理学毕业年限：2014届学生姓名：苏小峰学号：201072010252指导教师：陈建彪i目录摘要................................................................................................................................11.引言...........................................................................................................................12.纳米TiO2简介.........................................................................................................22.1纳米TiO2的晶体结构..................................................................................22.2纳米TiO2的性能..........................................................................................32.3纳米TiO2的制备方法...................................................................................33.水热法.......................................................................................................................43.1水热法简介...................................................................................................43.2水热反应的基本原理...................................................................................43.3水热反应的主要特点.....................................................................................54.水热法制备不同形态二氧化钛纳米材料.................................................................54.1水热法制备TiO2纳米管...............................................................................54.2水热法制备TiO2纳米棒(线).......................................................................64.3水热法制备TiO2纳米带...............................................................................74.4水热法制备TiO2纳米片...............................................................................85.水热制备纳米TiO2的影响因素...............................................................................85.1前驱体.............................................................................................................85.2温度...............................................................................................................105.3溶液pH值..................................................................................................115.4反应时间.......................................................................................................126.总结.........................................................................................................................13参考文献......................................................................................................................13致谢............................................................................................................................171水热法制备纳米TiO2材料及其影响因素的研究姓名：苏小峰指导老师：陈建彪届别：2014届专业：物理学班级：2班学号：201072010252摘要：纳米TiO2因具有良好的光催化活性、光电转化、光致发光特性等优点而倍受关注。在其众多制备方法中，水热法具有操作工艺简单、成本低廉、不产生二次污染等优点。本文简述了水热法制备的机理及其特点，介绍了常见的二氧化钛纳米管、棒、带及片的水热法制备，详细考察了水热合成中前驱体浓度、溶液pH、反应温度和反应时间对所制备的纳米TiO2晶型、形貌和晶粒尺寸的影响。结果表明：溶液pH值主要决定产物的晶型，水热反应温度决定产物生长维度，而前驱体浓度和反应时间是影响产物晶粒尺寸和形貌的主要因素。关键词：二氧化钛；水热法；纳米材料；Abstract:Becauseoftheadvantagesofhighphotocatalyticactivity,goodphotoelec-tricconversion,thephotoluminescencepropertiesandsoon,Nano-TiO2materialshavebeenresearchedwithmuchinterestathomeandabroad.Amongthemethodspreparednano-TiO2,hydrothermalsynthesisissimpleandlowcostmethodwithnosecondarypollution,whichisapopulartopic.Thispaperdescribestheformationmechanism,characteristicsandfourproductsofnanotube,nanorod,nanobeltandnanosheetofhydrothermalmethod.Moreimportantly,theeffectsofprecursorconcentration,solutionpH,reactiontemperatureandreactiontimeonthepreparationofnano-TiO2polymorphs,morphologyandgrainsizeareemphaticallyintroduced.TheresultsshowthatthepHvaluecanresultinsomechangesofcrystalstructure;theproductofthehydrothermalreactiontemperaturedeterminesthedimensionsofgrowth,whereastheprecursorconcentrationandreactiontimesaremajorfactorstoinfluencethegrainsizeandmorphologyofproduct.Keywords:TiO2;hydrothermalmethod;nanomaterials引言二氧化钛(TiO2)作为一种化合物半导体，具有良好的禁带宽度、较高的催化2活性、抗光腐蚀及无毒、稳定性好等优点。常见的TiO2有锐钛矿、金红石和板钛矿三种晶型结构，其中锐钛矿和金红石型TiO2在力学、电学、介电、磁学、光学以及热学性能上具有很好的应用价值。纳米级的TiO2由于它的粒径小，表面活性高，具有独特的小尺寸效应，表面效应，量子效应。除此之外，TiO2纳米结构表现出的不同与其体材料的特殊性能，又为其提供了更广阔的应用领域。例如：尺寸小于1.5nm的TiO2纳米颗粒由于量子尺寸效应出现了禁带宽度随尺寸变化而变化的现象[1]；使得纳米TiO2中存在着块体材料所不具备的发光效应；TiO2纳米结构表现出了较强的场致电子发射效应[2]。但纳米TiO2的性能受材料的形貌、微观结构以及合成方法等诸多因素的影响。在本文中，我们主要调研了关于水热法制备纳米二氧化钛材料的一些影响因素，旨在可控合成具有不同晶粒尺寸、形貌、结构的TiO2纳米材料。2.纳米TiO2简介2.1纳米TiO2的晶体结构TiO2在自然界中有金红石、锐钛矿和板钛矿三种变体。图1为二氧化钛的3种晶型单元结构图。板钛矿型在自然界中很稀有，属斜方晶系，是由[TiO6]八面体共顶点共边组成，在650℃左右即转化为金红石型，基本上没有工业价值。锐钛矿型和金红石型TiO2均属四方晶系，晶相以TiO6的八面体存在。二氧化钛晶体结构的差异使它们之间具有不同的质量密度和电子能带结构，这直接影响其表面结构、吸附特性和化学行为。锐钛矿型的晶格常数a=b=3.872Å、c=9.502Å，密度为3.89g/cm3，能隙为3.2eV；金红石型的晶格常数a=b=4.597Å、c=2.953Å，密度为4.25g/cm3，能隙为3.0eV。图1为二氧化钛的3种晶型单元结构图此外，金红石型有较高的硬度、介电常数及折射率，其遮盖力和着色力也较高。而锐钛型TiO2在可见光短波部分的反射率比金红石型TiO2高，带蓝色色调，3并且对紫外线的吸收能力比金红石低，在一定条件下，锐钛型TiO2可转化为金红石型TiO2。2.2纳米TiO2的性能纳米TiO2具有化学性能稳定，常温下几乎不与其他反应物反应，不溶于水、稀酸，微溶于碱和热硝酸，且具有热稳定性，无毒性。纳米TiO禁带宽度较宽，当它吸收了波长小于或等于387.5nm的光子后，价带中的电子就会被激发到导带，形成带负电的高活性电子e-，同时在价带上产生带正电的空穴h+[3]。吸附在TiO2表面的氧俘获电子形成O2-，而空穴则将吸附在TiO2表面OH-和H2O氧化成·OH。反应生成的原子氧和氢氧自由基有很强的化学活性，能分解有毒的无机物，降解大多数有机物。特别是氧原子能与多数有机物反应（氧化反应），同时能与细菌内的有机