纳米TiO2合成、表面处理及其防团聚研究

纳米TiO2是一种新型无机功能材料，广泛应用于随角异色汽车面漆、防晒化妆品、染料敏化太阳能电池、光催化等领域。纳米TiO2的应用领域和使用效果与其微结构、表面性质和团聚状态有关。本文研究了不同物相、粒径和形貌的纳米TiO2合成方法和过程机理。对金红石相纳米TiO2进行了无机和有机表面处理以提高其光稳定性和分散性。并研究了湿法制备纳米TiO2的防团聚方法。主要研究内容和成果概括如下： 1 根据LTDRP原理，用改进胶溶法在较温和的条件合成了金红石相纳米TiO2，改变了必须经过高温煅烧锐钛矿才能制备金红石的传统工艺。利用过量TiCl4的水解来提供胶溶所需酸，省去了通常胶溶法中洗涤和加酸（盐酸或硝酸）工序，节约了成本。研究了中和方式、中和温度、晶化温度、晶化时间、升温速率、NaOH浓度、n（NaOH）：n（TiCl4）和添加剂对纳米TiO2物相的影响，并讨论了纳米TiO2的形成机理。 2 水热法合成了不同物相、形貌和大小的纳米TiO2。结果表明，纳米TiO2的微结构不仅与水热条件有关，还与前驱体的生成条件有关。当前驱体为无定型结构时，pHinitial是决定TiO2物相、粒径和形貌的主要因素。当pHinitial=9.00～12.00时，200℃下水热反应24h，合成了纯板钛矿相TiO2。XRD和TEM结果表明，板钛矿相TiO2颗粒是由多个纳米微晶组成的聚集体。pHinitial的增大导致无定型TiO2转化成板钛矿相所需的水热温度升高，水热时间变长；同时，所形成的板钛矿相TiO2晶粒尺寸和颗粒粒径也较大。实验中首次发现乙二醇和丙三醇的存在会改变TiO2粉体的物相和形貌。当Vglycol：Vwater≤1：1或Vpropanetriol：Vwater≤1：3时，产物为板钛矿相；当Vglycol：Vwater≥2：1或Vpropanetriol：Vwater≥1：1时，TiO2粉体为锐钛矿相。随着丙三醇含量的增加，粒径逐渐变小。 3 首次在超声场中，通过硅酸钠水解生成的无定型氧化硅对金红石相纳米TiO2进行表面包覆。利用红外光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射和透射电镜对所得样品进行了表征，并对纳米TiO2的光稳定性和分散性进行了评价。红外光谱和X射线光电子能谱表明，氧化硅以化学键合的方式沉积在纳米TiO2的表面，在包覆层和纳米TiO2颗粒之间的界面上形成了Ti-O-Si键。TEM照片、表面元素分析和光稳定性实验显示，超声场和适当的热处理有助于提高包覆层的均匀性和致密性。SiO2的表面包覆提高了纳米TiO2的紫外线屏蔽能力和可见光透明性。随着氧化硅含量的增加，纳米TiO2的光稳定性逐渐提高；当m（SiO2）：m（TiO2）大于1：5时，纳米TiO2