水热法合成TiO2纳米粉体材料.doc

实验报告 一、实验名称(Title of experiment)水热法合成TiO2纳米粉体材料 实验目的（Purpose of experiment） 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。 实验原理（Principium of experiment） 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。 仪器及测试条件（Instrument and parameters） 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（Procedure of experiment） 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℃2～12h2、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、SEM观察产物的形貌及尺寸，并copy产物电镜照片的电子文档。 数据处理（date processing） (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/h 1 150 6 4 210 6 2 150 9 5 210 9 3 180 6 6 210 12  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180 oC和210 oC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 图2 150oC下产物的图oC下产物的图oC下产物的图oC、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（Exercises and Discussion） 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。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？ 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。 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 - - 3 -