TiO2形貌調控研究

宮子鈺，鄭黎明，張明清，張琳，張迎，謝洪陽

TiO2形貌調控研究

宮子鈺，鄭黎明*，張明清，張琳，張迎，謝洪陽

（遼寧工業大學，化學與環境工程學院， 遼寧 錦州 121000）

總結了TiO2的形貌、合成方法及影響因素。TiO2形貌有球形、微球形、中空球形、花形、納米纖維、納米管狀、片狀、棒狀等；合成TiO2的方法包括水熱合成法、溶劑熱法、水解法、溶膠凝膠法、反應爐熱裂解法等；影響TiO2形貌的因素主要有反應溫度、pH值、溶劑、某些離子等因素。

形貌；TiO2；合成

TiO2對人體基本無害，合成成本低廉，具有十分卓越的化學穩定性、熱穩定性和光學及顏料效應性能，是一種應用前景廣闊的材料。由化學與材料學常識可知，材料的形貌結構不同，其性能與應用效果就會有差異。眾多研究人員對TiO2開展了廣泛的研究，發現其能夠呈現出豐富的形貌結構。

1 TiO2的形貌、合成方法及影響因素

目前合成出的TiO2形貌有球形、微球形、中空球形、花形、納米纖維、納米管狀、片狀、棒狀等。合成方法包括水熱合成法[1-8]、溶劑熱法[9, 10]、溶膠凝膠法[11, 12]、水解法[13-15]、反應爐熱裂解法等。合成的TiO2形貌與合成方法見表1。

表1 TiO2形貌及其合成方法

如表1所示，同一種合成方法有時會形成不同的TiO2形貌結構，這主要與一些影響因素有關。常見的影響因素有溫度、pH值、加入某種離子、反應時間等。調研文獻[6, 7]顯示了這一特征，如圖1所示。

呂玉珍[7]等以草酸鈦鉀和過氧化氫為原料，采用水熱法合成了不同形貌的TiO2粉體材料。在150 ℃下加熱0.5 h，TiO2的形貌為圖1（a）所示的帶狀花結構；再在此溫度下延長加熱5 h，形成圖1（b）中的棒狀花結構。圖1（a）中的TiO2是由納米帶組成的花狀結構，當保持其他參數不變時，形成納米帶的顆粒直徑增大，使納米帶增大增粗，花狀轉變為納米棒狀結構。劉仁兵等[8]采用水熱法，在不同溫度下合成了納米棒狀TiO2，見圖1（c）與圖1（d）。通過兩個圖片可以看出納米棒陣列的密度以及納米棒的長度不同，這是因為反應溫度的升高，加快了納米棒的橫向生長速度，導致了納米棒數量上的減少。

王紅俠等[10]以鈦酸丁酯為鈦源，采用無模板溶劑熱法合成TiO2微球。實驗討論了溶劑對于TiO2形貌的影響。圖2為乙醇不變，加入不同體積丙三醇時所得樣品的SEM圖。通過圖2（a）可以看出最初樣品為1 500 nm的實心微球。從圖2（b）、（c）可以看出，樣品均具有空心結構。通過計算得出微球的直徑分別為800~900 nm和250~350 nm，由圖2（c）我們可以看出微球的大小明顯小于之前，這主要是由于丙三醇是多元醇，黏度較大，影響了晶體生長。丙三醇對樣品形成空心結構起著至關重要的作用，當乙醇的量不變時，空心微球的尺寸隨著丙三醇的增加而減小。

a.只加入30 mL乙醇；b.加入30 mL乙醇，5 mL丙三醇；c.加入30 mL乙醇，15 mL丙三醇。

圖3 水解溫度為70 ℃和80 ℃水解法所得TiO2SEM圖[15]

閆慧等[15]使用水解法水解(TiSO4)2制備TiO2實驗中研究了水解溫度對TiO2形貌的影響。通過觀察圖3（a）發現70 ℃時候形貌不規則，大小也不同；圖3（b）中，當溫度升高至80 ℃的時候，由于溫度升高，分散性增強，使形貌變為球形，且十分規律，并分布均勻。

離子也會影響反應最后生成的TiO2的晶體形貌，在強酸溶液下，以TiCl4[16]作為原料進行水熱反應時，合成了柱狀晶體，同樣條件下加入FeCl3·6H2O，合成的為帶狀晶體，分析認為是FeCl·6H2O中的Fe3+抑制了晶面的生長速度，導致TiO2晶體的形貌改變。

除上述提及的形貌外，TiO2還有許多形貌，如條狀、棒狀等。影響因素還包括水解法時的熱處理溫度、熱處理時間、水熱法的晶層厚度的不同等。

2 結束語

通過控制水熱法、溶劑熱法等方法的反應條件，可以制備不同形貌的TiO2，但是實驗中的一些問題有待解決：實驗中的形貌一致性不高，同樣條件會出現不同形貌，更好地控制實驗影響因素將是今后控制TiO2形貌的重要研究方向。

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Morphology Control of Synthesized TiO2

,,,,,

（School of Chemical & Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000, China）

TiO2morphology, synthesis methods and influence factors wereanalyzed and summarized. Typical TiO2morphology includes sphere, micro-sphere, hollow sphere, flower-shaped, nano-fiber, nano-tubular, sheet-shaped, rod-shaped, and so on. TiO2synthesis methods include hydrothermal synthesis, solvothermal process, hydrolysis, sol-gel, and reaction furnace thermal cracking method. The key factors for final morphology of synthesized TiO2include reaction temperature, pH, different solvents, certain ions and other factors.

morphology; TiO2; synthesis

遼寧工業大學2019年大學生創新創業訓練計劃，項目號：201910154029。

2019-12-16

宮子鈺（1998-），男，遼寧省大連市人。

鄭黎明（1981-），男，滿族，講師，博士，研究方向: 環境材料、環境監測。

O614.41+1

A

1004-0935（2020）04-0358-03