陶瓷納米材料的制備與微觀結構表征研究

摘 要：本文主要研究陶瓷納米材料的制備與微觀結構表征。采用水熱法和溶膠-凝膠法制備了納米TiO2和納米Al2O3陶瓷粉體，并利用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等手段對所制備的樣品進行了微觀結構表征。結果表明，水熱法制備的TiO2粉體為銳鈦礦相，平均粒徑約為20nm，而溶膠-凝膠法制備的Al2O3粉體為γ相，平均粒徑約為50nm。兩種方法制備的陶瓷粉體均具有良好的分散性和均勻性。通過對陶瓷納米材料微觀結構的深入研究，為其在綠色建筑領域的應用奠定了基礎。

關鍵詞：陶瓷；納米材料；制備；微觀結構；表征

1 前言

納米技術的飛速發展使得陶瓷納米材料成為材料科學領域的研究熱點之一。陶瓷納米材料因其優異的力學、光學、電學等性能而備受關注。目前，水熱法和溶膠-凝膠法是制備陶瓷納米材料的常用方法。為了更好地理解其性質，需要對微觀結構進行深入表征和分析，常用手段有XRD、SEM、TEM等。本文將重點研究水熱法和溶膠-凝膠法制備陶瓷納米材料的工藝，并對樣品進行微觀結構表征，為其在綠色建筑領域的應用提供理論基礎和實驗依據。

2實驗部分

2.1原料與儀器

本實驗所用原料包括：鈦酸四丁酯、無水乙醇、氯化鋁、檸檬酸、氨水和去離子水，均為分析純。主要儀器設備有：磁力加熱攪拌器、真空干燥箱、馬弗爐、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡[1]。

2.2陶瓷納米材料的制備

2.2.1水熱法制備TiO2納米粉體

首先，將10mL鈦酸四丁酯（TBOT）溶于40mL無水乙醇中，磁力攪拌30min，得到澄清透明的溶液A。同時，配制溶液B，將2mL去離子水、20mL無水乙醇和1mL氨水混合，磁力攪拌10min，得到均一的混合溶液。在劇烈攪拌下，將溶液B逐滴加入溶液A中，持續攪拌2h，溶液逐漸變渾濁，最終得到乳白色懸浮液。這一過程中，TBOT在水的作用下發生水解和縮聚反應，生成TiO2納米粒子。

將制得的懸浮液轉移至50mL聚四氟乙烯內襯的不銹鋼高壓反應釜中，密封后置于180℃烘箱中水熱反應24h。反應結束后，將反應釜自然冷卻至室溫，取出上清液和沉淀物。將所得沉淀物離心分離，分別用去離子水和無水乙醇洗滌3次，以去除殘留的雜質離子。最后，將洗滌后的沉淀物放入80℃真空干燥箱中干燥12h，即得到白色的TiO2納米粉體。

通過控制水熱反應的溫度、時間和pH值等條件，可以調控TiO2納米粒子的晶型、尺寸和形貌。本實驗選擇180℃和堿性條件下反應24h，旨在獲得粒徑均一、分散性良好的銳鈦礦相TiO2納米粉體。

2.2.2溶膠-凝膠法制備Al2O3納米粉體

首先，稱取9.6g氯化鋁（AlCl3·6H2O）溶解于100mL去離子水中，磁力攪拌30min，得到無色透明的溶液A。同時，稱取19.2g檸檬酸（C6H8O7·H2O）溶解于50mL去離子水中，磁力攪拌15min，得到無色透明的溶液B。在劇烈攪拌下，將溶液B逐滴加入溶液A中，持續攪拌1h，溶液保持澄清透明。這一過程中，氯化鋁和檸檬酸在水溶液中發生配位反應，生成檸檬酸鋁絡合物。

向透明溶液中緩慢滴加氨水，在攪拌下調節pH值到8-9，溶液逐漸變渾濁，最終得到白色凝膠。這一過程中，檸檬酸鋁絡合物在堿性條件下進一步水解和縮聚，形成氫氧化鋁凝膠。將所得凝膠放入80℃真空干燥箱中干燥24h，得到疏松多孔的白色固體。將固體研磨成細小粉末，置于坩堝中，在700℃馬弗爐中煅燒2h。煅燒過程可以將凝膠中的水分和有機物去除，得到純相的Al2O3納米粉體[2]。

煅燒結束后，將坩堝自然冷卻至室溫，即得到白色的Al2O3納米粉體。通過調節原料配比、pH值和煅燒溫度等參數，可以制備出性能優異的Al2O3納米材料。

2.3樣品表征

2.3.1 X射線衍射分析

X射線衍射（XRD）是一種重要的材料結構表征方法，可以用于確定樣品的物相組成、晶體結構、晶粒大小等信息。本實驗采用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀對制備的TiO2和Al2O3納米粉體進行物相分析。

實驗條件：Cu Kα輻射源（λ=0.15406nm），工作電壓40kV，工作電流40mA，掃描范圍10°-80°，掃描步長0.02°，掃描速度5°/min。

對于TiO2納米粉體，根據其XRD圖譜可以確定其主要物相為銳鈦礦相（Anatase，JCPDS No.21-1272），特征衍射峰位于2θ=25.3°，對應（101）晶面。利用Scherrer公式可以估算其平均晶粒尺寸：

D=Kλ/（β·cosθ）

其中，D為晶粒尺寸，K為Scherrer常數（取0.89），λ為X射線波長，β為衍射峰半高寬，θ為衍射角。經計算，TiO2納米粉體的平均晶粒尺寸約為20nm。

對于Al2O3納米粉體，根據其XRD圖譜可以確定其主要物相為γ-Al2O3（JCPDS No.10-0425），特征衍射峰位于2θ=45.8°，對應（400）晶面。同樣利用Scherrer公式估算其平均晶粒尺寸約為50nm。

XRD分析結果表明，水熱法制備的TiO2納米粉體和溶膠-凝膠法制備的Al2O3納米粉體均具有良好的結晶度和純度，是性能優異的陶瓷納米材料。銳鈦礦相TiO2和γ-Al2O3都具有優異的光催化性能和吸附性能，在環境凈化和能源轉換等領域有著廣泛的應用前景[3]。

2.3.2掃描電子顯微鏡分析

掃描電子顯微鏡（SEM）可以獲得樣品的高分辨率二維形貌圖像。本實驗采用Hitachi S-4800型場發射掃描電子顯微鏡對TiO2和Al2O3納米粉體的微觀形貌進行觀察。

TiO2納米粉體的SEM分析結果顯示，納米顆粒尺寸均一（20-30nm），分散性良好，呈現球形或橢球形形貌，表面光滑，無明顯團聚。這種形貌特征有利于提高其比表面積和光催化性能。

Al2O3納米粉體的SEM分析結果顯示，納米顆粒粒徑分布均勻（40-60nm），呈現不規則的球形或多面體形貌，表面相對粗糙，存在一定團聚。這種形貌特征與γ-Al2O3的結構特點有關，有利于提高其吸附性能和催化活性。

SEM分析結果與XRD分析結果相互印證，表明水熱法和溶膠-凝膠法可以有效制備出形貌可控、粒徑均一的TiO2和Al2O3納米粉體。納米材料獨特的形貌特征和尺寸效應，使其在光催化、吸附、隔熱等方面表現出優異的性能，在綠色建筑領域具有廣闊的應用前景。

2.3.3透射電子顯微鏡分析

透射電子顯微鏡（TEM）可以觀察到材料的晶格結構、晶粒尺寸、缺陷等精細結構。本實驗采用JEOL JEM-2100型透射電子顯微鏡對TiO2和Al2O3納米粉體的微觀結構進行分析。

TiO2納米粉體的TEM分析結果顯示，納米晶粒尺寸均勻（15-25nm），分散性良好，晶格條紋清晰，對應于銳鈦礦相TiO2的（101）晶面，電子衍射斑點表明其具有高度結晶性。

Al2O3納米粉體的TEM分析結果顯示，納米晶粒尺寸分布均勻（30-60nm），晶格條紋清晰，對應于γ-Al2O3的（400）晶面，電子衍射花樣呈現規則的衍射環，表明其具有多晶特征。

TEM分析結果證實了XRD和SEM的分析結論，表明水熱法制備的TiO2納米粉體具有銳鈦礦相結構，溶膠-凝膠法制備的Al2O3納米粉體具有γ-Al2O3結構。納米晶粒尺寸均勻，分散性良好，結晶度高，這些特征與材料的優異性能密切相關。綜合XRD、SEM和TEM的分析結果，可以全面、深入地認識TiO2和Al2O3納米粉體的微觀結構特征，為其在綠色建筑領域的應用奠定堅實的材料基礎。

3結果與討論

3.1 TiO2納米粉體的微觀結構

通過XRD、SEM和TEM等表征手段，對水熱法制備的TiO2納米粉體的微觀結構進行了分析。結果表明：

（1） TiO2納米粉體主要由銳鈦礦相組成，結晶度高，平均晶粒尺寸約為20nm。

（2）TiO2納米粉體顆粒分散性良好，粒徑均一，呈現規則的球形或橢球形形貌，比表面積大。

（3） TiO2納米晶粒內部結構完整，晶格排列有序，顯示出典型的銳鈦礦相特征。

這些微觀結構特征為TiO2納米粉體在綠色建筑領域的應用提供了堅實的材料基礎。例如，高結晶度和大比表面積的TiO2納米粉體可以作為高效的光催化劑，用于室內環境凈化；納米TiO2還可以作為隔熱涂料的添加劑，提高建筑材料的隔熱性能和耐久性。通過對TiO2納米粉體微觀結構的研究，可以深入理解其結構-性能關系，為開發高性能、多功能的綠色建筑材料提供重要的理論指導和實驗依據。

3.2 Al2O3納米粉體的微觀結構

結合XRD、SEM和TEM的分析結果，對溶膠-凝膠法制備的Al2O3納米粉體的微觀結構有了全面的認識：

（1） Al2O3納米粉體主要由γ-Al2O3相組成，結晶度良好，平均晶粒尺寸約為50nm。

（2） Al2O3納米粉體顆粒形貌不規則，呈現球形或多面體形狀，粒徑分布較為均勻，存在一定程度的團聚。

（3） Al2O3納米晶粒內部結構有序，晶格條紋清晰可見，對應于γ-Al2O3的典型結構特征。

γ-Al2O3納米粉體獨特的微觀結構賦予其優異的吸附性能和催化活性，在綠色建筑領域具有廣闊的應用前景。例如，γ-Al2O3納米粉體可以作為高效的吸附劑，用于室內空氣中揮發性有機化合物（VOCs）的去除；納米Al2O3還可以作為催化劑載體，提高光催化材料的性能和穩定性。通過對Al2O3納米粉體微觀結構的深入分析，我們可以優化材料的制備工藝，調控其結構和性能，為開發高效、環保的綠色建筑材料提供科學依據。

3.3陶瓷納米材料在綠色建筑中的應用前景

基于TiO2和Al2O3納米粉體優異的微觀結構和性能，陶瓷納米材料在綠色建筑領域展現出廣闊的應用前景：

（1） 光催化材料：TiO2納米粉體具有高效的光催化活性，可以作為光催化涂料的添加劑，用于建筑表面的自清潔和空氣凈化。在太陽光照射下，TiO2納米粉體可以分解空氣中的有害物質，如NOx、SO2等，提高室內外環境質量。

（2） 隔熱材料：將TiO2和Al2O3納米粉體添加到隔熱涂料或隔熱板中，可以顯著提高建筑材料的隔熱性能。納米粉體獨特的光學性質和大比表面積，可以有效阻隔紅外輻射，降低建筑能耗。

（3） 吸附材料：Al2O3納米粉體具有優異的吸附性能，可以用于室內空氣凈化和水體處理。將Al2O3納米粉體應用于建筑裝飾材料或空氣過濾器中，可以有效去除甲醛、苯等揮發性有機化合物，改善室內空氣質量。

（4） 自清潔材料：利用TiO2納米粉體的超親水性和光催化性能，可以制備出具有自清潔功能的建筑材料，如自清潔玻璃、瓷磚等。在日光照射下，材料表面的污垢可以被分解和沖刷，維持建筑物的美觀和整潔。

（5） 抗菌材料：TiO2和Al2O3納米粉體還具有優異的抗菌性能，可以抑制細菌和真菌的生長。將其應用于建筑涂料、陶瓷衛浴等材料中，可以有效防止微生物滋生，提高建筑環境的衛生和安全性。

陶瓷納米材料在綠色建筑中的應用，不僅可以改善建筑性能，提高能源利用效率，而且可以創造更加健康、舒適、環保的建筑環境。隨著納米技術的不斷發展，陶瓷納米材料在綠色建筑領域的應用將日益廣泛，為實現建筑的可持續發展提供新的途徑和可能性。

4結論

本文采用水熱法和溶膠-凝膠法成功制備出了銳鈦礦相TiO2和γ-Al2O3納米粉體，并通過XRD、SEM和TEM等表征手段對其微觀結構進行了詳細分析。結果表明，所制備的陶瓷納米粉體具有粒徑均一、分散性良好、結晶度高等特點，這為其在綠色建筑領域的應用奠定了堅實的材料基礎。TiO2和Al2O3納米材料獨特的光催化、吸附、隔熱等性能，有望在建筑環境凈化、能源利用、室內熱舒適等方面發揮重要作用。

參考文獻

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[3]姚億文，楊飛躍，趙爽，等.新型陶瓷涂層的制備、結構調控及應用研究進展[J].材料導報，2022，36（23）：66-72.