摘 要

二氧化钛是现在研究最热门半导体材料之一，因为其在光催化，染料敏化太阳能电池，光子晶体，智能表面涂料等应用性能非常优秀，也可以用于废水处理，杀菌消毒等领域。二氧化钛的高活性晶面有(001)晶面和(100)晶面，但是(001)晶面的反应性比(100)晶面要高，而且其在天热形成或者人工合成的二氧化钛晶体中所占比例都很少，因为二氧化钛生长过程中，会逐渐生成晶体表面能低(101)面，(001)晶面所占比例连10%都不到。而合成具有(001)晶面的二氧化钛，以前使用的是含氟物质作为封端剂，如今结合当下化学研究的发展潮流和国家发展战略，采用绿色无氟合成二氧化钛。本实验采用水热合成高活性晶面的二氧化钛，封端剂是氨水，使用混料煅烧得到的二钛钾，四钛钾，水合-离子交换得到的二钛酸，四钛酸作为钛前体，将配制好的氨水和称量好的钛前体加入水热釜力衬，恒温反应24h，然后离心烘干得到产品，通过表征，对比分析，探究不同水热温度条件和封端剂浓度对合成的影响，得出最佳的水热合成实验条件为水热温度为200℃，反应时间24h，封端剂的浓度5moL/L。

关键词：二氧化钛 高活性(001)晶面 绿色合成

Preparation of highly active crystal titanium oxide by hydrothermal treatment of potassium titanate

Abstract

Titanium dioxide is one of the most popular semiconductor materials in research, because it has excellent performance in photocatalysis, dye-sensitized solar cells, photonic crystals, smart surface coatings, etc. It can also be used in wastewater treatment, sterilization and other fields. The high-activity crystal plane of titanium dioxide has a (001) plane and a (100) plane, but the (001) plane is more reactive than the (100) plane, and it is formed in the hot or formed titanium dioxide crystals. The proportion is very small, because during the growth of titanium dioxide, the surface energy of the crystal is gradually low (101), and the proportion of the (001) crystal plane is not even 10%. The synthesis of titanium dioxide with (001) crystal plane, previously used fluorine-containing substances as a blocking agent, is now combined with the current development trend of chemical research and national development strategy, using green fluorine-free synthetic titanium dioxide. In this experiment, hydrothermal synthesis of high-activity crystal plane titanium dioxide, blocking agent is ammonia water, titanium dioxide obtained by calcination of mixture, titanium tetratitanate, hydrated-ion exchanged dititanic acid, tetratitanic acid as titanium precursor The prepared ammonia water and the weighed titanium precursor are added to the hydrothermal kettle lining, and the reaction is carried out at a constant temperature for 24 hours, and then centrifuged to obtain a product. Through characterization and comparative analysis, different hydrothermal temperature conditions and concentration of the blocking agent are investigated. The effect of the synthesis was that the optimum hydrothermal synthesis experimental conditions were hydrothermal temperature of 200 ° C, reaction time of 24 h, and concentration of the capping agent of 5 moL / L.

Key word: Titanium dioxide; Highly active (001) crystal plane; Green synthesis

目录

摘要 I

Abstract I

目录 II

第一章 绪论 4

1.1 课题研究背景 4

1.2 TiO₂材料的应用 5

1.3合成纳米级别TiO₂的方法 7

1.3.1气相法 7

1.3.2液相法^[20] 7

1.3.3固相法 8

1.4 合成具有暴露（001）晶面的TiO₂晶体方法的发展 8

1.5本文的主要研究内容 9

第二章 实验步骤 10

2.1实验使用的试剂和仪器 10

2.1.1实验试剂 10

2.1.2实验仪器 10

2.2实验过程 12

2.2.1钛前体的制备过程 12

2.2.2水热合成高活性二氧化钛 13

2.3水热合成流程示意图 14

2.4 表征 14

第三章 表征分析 15

3.1不同钛前体合成的二氧化钛 15

3.1.1前体为二钛酸(有孔和无孔) 15

3.1.2前体为二钛钾和四钛钾 17

3.2不同水热温度合成二氧化钛 20

第四章 结论和展望 22

4.1实验结论 22

4.2展望 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

二氧化钛是现在研究热门的半导体材料之一，因为其在光催化，染料敏化太阳能电池，光子晶体，智能表面涂料等应用性能非常优秀，也可以用于废水处理，杀菌消毒等领域，从而引起了许多研究者的广泛关注^[1]。2016年发布《国家“十三五”规划》的重要战略之一，就是资源的节约和合理利用，通过提高对应的核心技术来促进资源利用方式的升级优化，以达到提高资源综合利用率的效果，二氧化钛半导体材料的发展正是契合了这一发展战略，第四十七章(发展绿色环保产业)的核心点是产品的绿色环保，节能减排，无论是生产过程，还是产品使用之后，都应该符合之一核心战略的要求，所以要有技术创新，装备优化，这样才能够使得环保产业发展壮大。二氧化钛的催化活性除了由晶相、颗粒形状和粒径决定，表面性质对其催化活性也有影响，特别是它的理化性质，比如吸附性、催化活性与选择性等，都与暴露的晶面比例有很大关系^{[2, 3]}。据研究表明，TiO₂晶体的尺寸，形状，晶体结构和暴露面比例都会发生变化，准确控制合成的TiO₂晶体的形貌以及了解它们的生长机制是很有价值的。

在关于TiO₂合成的纳米晶体（NCs）方法上，使用的是溶液基技术，如溶胶-凝胶，反胶束，声化学，水热和溶剂热，基于溶液合成制造纳米结构的锐钛矿二氧化钛晶体是合成效果最好，也最经济的方法，比较有趣的是，通过溶剂热合成方法，也可以合成不同形状的二氧化钛晶体，比如菱形、球形长条形等^[4]。TiO₂存在于三个不同的形态结构：锐钛矿，金红石和板钛矿，每个形态结构都有不同的理化性质，同时也对应不同的功能，当作为散装材料，金红石具有最稳定的热力学结构，而锐钛矿在基于溶液合成技术是有利的，因为板钛矿的纯净形式很难获得，研究的人比较少，锐钛矿以及金红石或者两者的混合物比较容易用于实际用途，一直以来都是研究的热门^[5]。两种二氧化钛常见的晶型结构如图1所示：

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