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二氧化钛的结构及特点

发布日期:2013年1月25日

研究二氧化钛(TiO2)的结构,发现其物理性质和化学性质,对扩大应用范围,生产新产品具有非常重要的意义,众所周知,材料的微观形貌及颗粒的空排布方式将对材料的性能产生重要的影响,因此合成具有优良形貌的Ti02,以增强其相关性能,从而扩展Ti02材料器件的应用范围成为研究者们的新挑战。近来,由低维度基本组成单元构造多维分级结构的研究己备受广大研究者们的关注,这是因为分级结构往往对材料的光、磁、电、热以及化学等方面的性质产生显著的优化作用。Ti02具有优越的光电性能和物理特性,由于其在光催化、传感器、染料敏化太阳能电池、水分离等领域提示出巨大的应用前景而成为目前的研究热点。

随着科学界制备技术的迅猛发展,目前研究者们己制备出多种形貌的Ti02分级结构材料(见图1),并且对其相关性能产生了显著的优化作用。本文就几种常见的分级结构的制备以及该结构对相关性能的优化作用作综述。

球形

秒速快3球形分级结构是目前己制备出的最多的分级结构形式,其制备的工艺过程也相对简易有效。根据各种己知的球形分级结构的形貌特点可大致分为空心球和非空心球两大类。

空心球

空心球是一种典型的球形分级结构形式,由于其具有密度低、比表面积大、传递电荷效率高以及表面渗透能力强等优点而成为研究热点之一。随着研究者们对Ti02秒速快3 空心球制备的深入研究,其制备工艺也逐渐趋向成熟。

模板法是最直接,最有效的制备空心球分级结构的方法;包含硬模板和软模板两种。常见的硬模板又可分为无机和有机两类。Jiaguo Y u等以Si02微球为模板剂,TiF4为Ti源进行反应,得到空心球分级结构。该空心球结构含有大量的孔道结构,其比表面积达到174m2/g,因而具有优异的光催化活性。B o Peng等采用复合法,以聚苯乙烯(PS)颗粒为模板,制备出PS/ Ti02纳米球,后经高温退火处理得到Ti02空心球分级结构,改善Ti02的亲水性。除采用硬模板之外,软模板法也是一条能有效实现空心球结构的途径。X iaoxu Li等采用气泡模板法,以草酸钛钳、H2O2为反应剂,水热合成出了Ti02空心球结构,经检测,其光催化活性得到显著提高。

硬模板法制备空心球分级结构往往需要进一步的手段去除模板剂,而软模板法制备空心球结构的实验条件要求高。因此研究者们又开发出了界面反应制各空心球结构的技术,展红全等采用水热界面反应法以钛酸丁酯、乙醇、油酸等为反应剂,合成出了具有高表面积及多孔结构的空心球状结构,经光催化性能测试得出:该 TiO2空心微球结构具有很高的催化活性。

非空心球

虽然空心球分级结构具有很多优势,对材料的性能有显著的优化作用,然而空心球分级结构的抗压、抗震能力较弱,因而极大地限制了其在各个领域中的实际应用。所制备高比表面积及含大量孔道结构的TiO2非空心分级球,以提高其相关性能,依然是研究者们关注的焦点。

采用有机表面活性剂、螫合剂,获得Ti02分级结构球较为常见,如: Jun Song Chen等以DETA为活性剂,异丙醇钛为钛源,水热反应后经高温退火,成功获得了 Ti02纳米片分级球;Tiejian Zhu等以EDA为螫合剂,二氯化环戊二烯钛为反应前驱,水热合成出了花状的纳米片分级球;YaliW ang等以二甘醇(DEG) 及TiCL4为反应剂,水热得到Ti02纳米片微球,经检测研究发现,采用有机物诱导的Ti02分级结构球具有高的比表面积,以及大量的介孔结构,能有效优化其相关性能。

除采用有机物诱导之外,研究者们还利用先进的设备术合成Ti02分级结构球。D aesub H w ang等采用电喷射法,将纳米晶体的Ti02颗粒溶于乙醇,然后直接电喷射在FTO基片上,这种Ti02分级结构球且具有更高的电子扩散系数及更长的寿命。Y uxm Tang等采用电化学火花放电分解(ESDS)技术结合退火处理,获得了Ti02纳米片-纳米颗粒混合的分级结构球,因其具有116m2/g的比表面积、更多的孔道结构以及更好的结品性,而表现出了优异的光催化活性。然而采用先进的仪器设备来制备Ti02材料,成本较高,仪器操作较复杂,不适合大范围的生产。

探索简单经济,且不含有机诱导剂的制备工艺是制备Ti02球形分级结构的重要方向。Chengxiang W ang等将钛粉溶解于NaoH,加入H2O2,水热反应后经退火过程制得了放射状Ti02分级结构球; P oovathmmodjy il R aveendra等通过水解浓缩溶解于乙酸乙酯的正丁醇钛,然后经过温和的加热过程得到介孔微球,经检测该种结构具有优异的气敏性及光催化活性。

阵列

阵列分级结构排列致密规整,与相应的反应媒介(光、染料、有机物等)具有更大的接触面积,此外阵列分级结构具有一定的取向性,并且含有大量的传输通道,因而往往使材料具有优异的性质。制备高度有序、形貌规整、尺度均一的Ti02阵列,以提高其相关的性能仍是研究者们关注的热点之一。

阳极电镀技术法制备Ti02阵列是目前使用较频繁的技术于段,如:B o Chen等通过阳极电镀法成功制备出了Ti02分支纳米管阵列,该Ti02分级阵列能有效降低电子重合率,且具有高的光能收集能力。

模板法制备Ti02阵列是另一条有效的制备途径,如 F engqiang Sun等采用单层PS球为模板,在基片上制备出Ti02圆圈阵列。此外,Yue Li等采用脉冲激光沉积法,以单分散的PS胶体球单层为模板,制备出了六方紧密堆积的Ti02分级纳米柱阵列。这种分级纳米柱阵列表现出了优异的超双亲性。但是该过程由于实验设备要求极高,不利推广。

因此,探索更为简易的制备Ti02阵列的方法,再次引起研究者们的关注。李玉祥等采用水热沉积法,在玻璃基片上制备出了微球阵列及纳米棒分级颗粒阵列,产物显示出优良的光催化活性,这主要是由于纳米阵列结晶性好,有利于光生电荷的传输所致。Qinghui Mua等将Ti02薄片浸入H2O2溶液之中80℃恒温后退火,获得了致密的纳米杆阵列,该类方法属于无模板法,且不需复杂的操作过程以及精密的设备,为今后有效制备Ti02阵列结构提供了思路。

管、线形

Ti02管、线结构具有一维材料所共有的优异特性,但就目前的研究现状而言,普通的管、线结构在对材料性能优化上仍存在局限性,因此研究者们作出大量的上作米制备特殊形式的Ti02管、线分级结构材料,从而达到提高Ti02相关性能、扩展其应用范用的目的。如P eng Si等采用多层碳纳米管为模板,溶剂热法制备出新型一维蠕虫状管道结构,研究结果显示,该种管状结构具有更大的比表面积,以及较窄的孔径分布,因而具有更快的电子转移速率以及更优异的电催化性能。Qijun Z hang等通过两个步骤,首先采用简易的静电纺丝技术(electro印innmg)制备出纤维状的锐钛矿Ti02框架,然后通过一个温和的溶剂热反应过程,在该种纤维框架上生长出一层均一的金红石纳米片。这种方法为我们提供了-种便捷有效的思路来设计制备三维Ti02复合超级结构。

其他分级结构

除了以上所提到的较为常见的分级结构之外,目前的报道中还存在着其他形貌的分级结构,这类特殊的分级结构对Ti02的相关性能也产生了显著的优化作用。例如: Cheng Y ang等采用水热法制备Ti02纳米叶,然后采用锌卟啉改性Ti02纳米叶;再使用配合基交换法,用反 -2,2乙烯基-4,4联吡啶连接被改性的Ti02侧面中心锌原子,最终使单个Ti02纳米叶形成层层并排的组装结构。Fang Shao等将Ti薄片浸入氢氧化钠水溶液中220℃水热反应沉积,最终得到基片底部为有序的纳米杆阵列,顶部为花状微球颗粒的分级结构,这种Ti02超级结构经过性能测试,各个指数均比商业的P25 Ti02优异,他们认为是恻底部的纳米杆阵列为光生电子提供了通道,而顶部的花状微球结构增加厂光的捕集能力所致。

结语

二氧化钛分级结构,往往具有高的比表面积及大量的孔道结构,有利于收集反应介质及传输电子,因而制备分级结构Ti02材料是优化其相关性能的重要途径。虽然目前已经制备出了大量的分级结构,同时也对其各种性能产生了较为显著的优化作用。然而却存在种种的不足,例如,反应过程比较复杂、设备要求较高、分级结构的稳定性低等。这些不足将直接导致已有的制备工艺只能停留在实验室研究阶段。Ti02分级结构材料能否大范围的应用其关键在于:在低成本的条件下开发出最简易的制备工艺,来制备具有高比表面积、高稳定性的分级结构。

另外,根据已有的研究成果,可以发现,采用简易、经济、有效或多种制备技术相结合的方法,来制备多重结构复合的Ti02超级结构是提高其性能的有效方法,并且将会成为分级结构制备领域的一个新研究方向。

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