水热法合成TiO2纳米粉体材料

-1-实验报告一、实验名称(Titleofexperiment)水热法合成TiO2纳米粉体材料二、实验目的（Purposeofexperiment）1、了解水热法制备纳米氧化物的原理及实验方法；2、研究TiO2纳米粉制备的工艺条件；3、学习用X射线衍射法(XRD)确定产物的物相结构；4、学习用扫描电子显微镜检测产物的形貌及尺寸。三、实验原理（Principiumofexperiment）在水热体系中，TiO2晶体的结晶过程包括成核过程和生长过程。随着体系温度的升高，尿素缓慢分解，(NH2)2CO+H2O=2NH3+CO2，尿素的分解使溶液的pH值增大。前驱物中的Ti4+发生如下水解反应：Ti4++(n+2)H2O↔TiO2·nH2O+4H+，溶液的pH值增大，碱性增强，有利于上述水解反应向右进行。随钛离子水解过程的进行，在形成的晶核上逐渐长大成为水合二氧化钛颗粒。随着水热体系温度的进一步升高，水合二氧化钛的结晶水脱去，生成纳米二氧化钛微晶。四、仪器及测试条件（Instrumentandparameters）实验仪器：电子天平，不锈钢压力釜（高温型），恒温箱（带控温装置），离心机，X射线粉末衍射仪，扫描电子显微镜，玻璃仪器若干等。实验试剂：硫酸氧钛，硫酸钛，尿素，硝酸钡，无水乙醇等。五、实验步骤（Procedureofexperiment）1、TiO2纳米粉的合成将尿素加入到Ti(SO4)2水溶液中，搅拌至尿素完全溶解后，将溶液加入到高压釜中进行水热沉淀反应，填充度为80%。所得产物用去离子水反复洗涤，至滤液中不再检出SO42-，最后在不同温度下干燥若干小时得产物。实验条件：硫酸钛摩尔浓度为0.5M，尿素摩尔浓度为1.0M，用水热沉淀法在140～280℃保温2～12h。2、用X射线衍射法(XRD)确定产物的物相结构用X射线粉末衍射仪测定产物的物相，利用物质的XRD衍射数据库对照样品的结果，确定目标产物是否是TiO2。实验结果文件转变为数据文档，利用软件origin进行处理。3、用扫描电子显微镜检测产物的形貌及尺寸-2-按照扫描电子显微镜的要求，制作样品，利用SEM观察产物的形貌及尺寸，并copy产物电镜照片的电子文档。六、数据处理（dateprocessing）(1)用X射线衍射法(XRD)确定产物的物相结构编号温度/℃时间/h编号温度/℃时间/h1150642106215095210931806621012-3-通过检索可以知道样品中已生成的产品即TiO2。根据所测图谱与数据库中的TiO2标准图谱相比，两者基本吻合，所以在不同反应温度的条件下，3个反应釜中得到的样品中主要物质都是纯相TiO2。可以看到在180oC和210oC的结晶要好一些。在进行XRD检索时只有TiO2的图谱与数据库中的TiO2标准图谱相匹配，说明在反应过程中基本上生成产物TiO2，没有副产物生成；在抽滤洗涤过程中也没有SO42-等杂质介入。(2)用扫描电子显微镜检测产物的形貌及尺寸-4-图2150oC下产物的SEM图图3180oC下产物的SEM图-5-图4210oC下产物的SEM图以上图2、图3和图4分别为150oC、180oC和210oC反应条件下产物TiO2通过SEM观察得到的形貌及尺寸，粉体分散良好，多为单晶体纳米级固体颗粒。如图可知，此种水热沉淀法反应可以生成纳米级TiO2，并且在相同反应时间条件下，反应温度不同，产物尺寸不同。相同时间温度高的颗粒要更加小一些。七、思考题及讨论（ExercisesandDiscussion）1、水热法合成无机材料具有哪些特点？①水热法可直接得到结晶良好的粉体，无需作高温灼烧处理，避免了在灼烧过程中可能形成的粉体团聚；②粉体晶粒的物相和形貌与水热反应条件有关；③晶粒尺寸可调，水热法制备的粉体晶粒尺寸与反应条件（反应温度、反应时间、前驱物形成等）有关；④制备工艺比较简单。目前利用水热法制备粉体的技术主要有水热氧化、水热沉淀、水热晶化、水热合成。2、用水热法合成TiO2纳米粉体材料过程中，哪些因素影响产物的粒子大小及其分布？-6-反应温度能促进晶体的生长和转化；反应时间的增加衍射峰的强度逐渐增加；酸洗对产物也有一定的影响。3、如何减少纳米粒子在干燥过程中的团聚？水的存在是干燥过程中形成硬团聚的根源，因此要消除硬团聚可以从两个方面着手：1、在干燥前将粉体之间的距离增大，从而消除毛细管力，避免使得颗粒结合紧密；2、在干燥前采用适当的方法将水脱除，避免由于水与颗粒形成氢键。4、查阅资料比较水热法与溶剂热法合成纳米材料的异同。水热法又称热液法,属液相化学法的范畴。是指在密封的压力容器中,以水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。水热反应依据反应类型的不同可分为水热氧化、水热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等。其中水热结晶用得最多。它的原理:水热结晶主要是溶解———再结晶机理。首先营养料在水热介质里溶解,以离子、分子团的形式进入溶液。利用强烈对流(釜内上下部分的温度差而在釜内溶液产生)将这些离子、分子或离子团被输运到放有籽晶的生长区(即低温区)形成过饱和溶液,继而结晶。溶剂热法是将反应物按一定比例加入溶剂，然后放到高压釜中以相对较低的温度反应。在这种方法中，溶剂处在高于其临界点的温度和压力下，可以溶解绝大多数物质，从而使常规条件下不能发生的反应可以进行，或加速进行。溶剂的作用还在于它可以在反应过程中控制晶体的生长，实验证明使用不同的溶剂可以得到不同形貌的产品。另外此方法还具有能耗低、团聚少、颗粒形状可控等优点。该方法的不足之处是产率较低、产品的纯度不够，并且在产品尺寸和形貌的均一程度上不尽如人意。指导老师Instrcutor马剑华老师