微乳液法制备纳米TiO2及其结构表征
2023-10-15
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第24卷第4期 沈阳化工大学学报 VoI.24 No.4 2010.12 JOURNAL oF SHENYANG UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNoLOGY Dec 2Ol0 文章编号: 1004—4639(2010)04—0294—05 微乳液法制备纳米YiO2及其结构表征 高嵩,王桂萍,樊明杰,段艳丽 (沈阳化工大学应用化学学院,辽宁沈阳1 10142) 摘要: 以钛酸正丁酯(TNB)为原料,在5.5 g的Tween一8O、45.5 mL的环己烷、8.6 mL的正丁 醇、2.5 mL的水的微乳体系中制备了粒径小、分散均匀的纳米Tj0,微粒,用SEM、XRD对产物进 行结构表征.实验结果表明:焙烧温度达到500 oC时,二氧化钛出现锐钛矿晶型;随着焙烧温度的 升高,晶型向金红石型转变,平均粒径从500℃的8.37 nm增加到700℃的26.86 nm. 关键词: 纳米TiO ; 反相微乳液; 锐钛矿; 金红石; 吐温-80 中图分类号:0648 文献标识码: A 二氧化钛(TiO )纳米材料因其具有作为光 水相高度分散在油相中形成热力学稳定的体系, 催化半导体材料所必需的光催化活性高、紫外线 油水界面上表面活性剂形成有序组合体,水核被 屏蔽性强、热导性好且廉价、无毒、无二次污染等 表面活性剂单分子层包围,类似于“微型反应 优点,日趋受到人们的关注.研究二氧化钛纳米 器”,是制备纳米粒子理想的媒介.在反相微乳 材料的制备方法更成为焦点.制备方法主要有溶 液中,适当控制反应条件可以大大降低粒子间的 胶一凝胶法 、化学气相法、沉淀法、水热法和微 团聚,得到粒径均匀的纳米粒子.本文以钛酸丁 乳液法 等,其中微乳液法因具有制备的纳米 酯为原料,首次采用Tween一80/环己烷/正丁醇/ 粉体粒径小且可控、分布均匀且呈单分散状态等 水组成的微乳液作为“微反应器”,合成超细纳 优点 ,因而受到国内外学者的广泛关注.TiO 米TiO,粉体,制得的TiO,微粒均匀稳定.由于 作为一种重要的无机功能材料,广泛用于光催化 表面活性剂Tween 80价格低廉,大大降低了制 降解 J、制备优质陶瓷和高档涂料、El用化妆 备成本. 品等领域. 1972年Fujishima和Honda在Nature杂志 1 实验方法 上发表的关于在TiO:电极上光分解水的论文, 可以将它看作是一个多相光催化新时代开始的 1.1微乳液组成的确定 标志.2O世纪7O年代后期,Frank等 关于水中 氰化物在TiO,上的光分解研究,以及20世纪 表面活性N/正丁醇/环己烷/水拟三元体系 80年代初,Pichat等 关于含氮氧化物的分解及 相图的绘制:在具塞的锥形瓶中,当R值(R= 丁醇的氧化研究,对光催化的迅速发展起到了极 水/n表面活性剂)不变时,将S(水和表面活性剂的 大的推动作用.到了20世纪90年代,光催化研 混合物)和0(环己烷)按一定质量比混合,搅拌 究已相当活跃,目前为止已发展成为新兴的化学 下以A(正丁醇)进行滴定,体系由浑浊变为完 边沿学科. 全透明(形成微乳)时为第一相变点;继续以A 本文采用反相微乳液法制备纳米TiO,:反 滴定至体系由透明变浑浊为第二相变点;改变S 相微乳液(W/O型)是在表面活性剂作用下,由 和0的质量比,以A滴定混合物体系,得到一系 收稿日期:2009—12—21 作者简介:高嵩(1963一),男,辽宁北票人,教授,博士,主要从事无机金属材料合成及电化学研究 第4期 高嵩,等:微乳液法制备纳米TiO 及其结构表征 列的相变点.作图即得到R一定时体系的相图, 分析二氧化钛粒子的晶型及平均晶体粒径,辐射 改变尺值,以同样的方法可得到不同尺时体系 的相图. CuKc ̄(0.154 056 nm),管压:35 kV,管流:30 mV,扫描速度为6(。)/min,扫描范围2 为l0。 ~7O。;用日本电子JSM-63602V扫描电镜观察 1.2粉体的制备及结构表征 二氧化钛颗粒的基本形貌、颗粒尺寸、以及团聚 先将5.5 g的吐温一80、45.5 mL的环己烷、 的状况等. 8.6 mL的正丁醇于烧杯中混合均匀,分成2份, 其中一份加入2.5 mL的钛酸丁酯,溶液呈黄绿 2结果与讨论 色;另一份加入2.5 mL的浓氨水,搅拌后形成 透明、均一的微乳液. 2.1微乳液组成确定 将上述2种含不同电解质的微乳液混合,充 首先绘制不同尺值的拟三元相图,确定微 分搅拌30 min后,使其充分反应,体系呈淡黄色 乳区,然后在微乳区中确定微乳液的组成. 半透明.以4 000 r/min速度离心分离10 min,汲 2.1.1微乳区的确定 取清液,沉淀物用丙酮多次洗涤,陈化24 h后, 分别选择R=10、20、30、40,绘制吐温一80/ 置于烘箱内干燥至其质量恒定,得水合TiO:,然 正丁醇/环己烷/水拟三元体系相图,如图1所 后放人马弗炉中500 oC煅烧2 h,自然冷却得到 示.由图1可知:当R值为10、20、30时,微乳区 产物,研磨,称质量. 较大,R=40时微乳区较小,本文选择R=30的 通过德国布鲁克D8型x一射线粉末衍射仪 微乳体系为试验体系. S+水 S+水 R=l0 R=20 00 S+水 s+水 R=30 R=40 图1 不同R值时吐温 80/环己烷/iE丁醇/水的微乳体系 Fig.1 Differrent R Tween一80/cyclohexane/n—butanol/water microemulsion system patterns 沈阳化工大学学报 2.1.2水量对微乳液形成的影响 水作为被分散组分,其用量是影响微乳液形 成的最重要因素之一.由表l可知:在环己烷、正 丁醇、表面活性剂用量不变时,水量超过一定值, 解不完全,碳元素没有转化成CO 蒸发出去,留 下来使粉末为黑颜色.图2给出了粉体经500 oC 煅烧后得到的XRD图,图2中给出了2 衍射角 从20。到70。之间的衍射峰.其中二氧化钛图谱 微乳液不能形成. 表1 水量对微乳液形成的影响 Table l Effects of concentration of water On the formation of microemulsion (水)/mL 微乳液是否形成 O 是 1.0 是 2.0 是 3.0 是 4.0 否 5 O 否 注:正T‘醇用量8.6 mL,吐温用量5.5 g,环已烷用量 45.5 mL. 2.1.3表面活性剂用量对微乳液的影响 考察表面活性剂用量对微乳液形成的影响. 从表2可以看出:当环己烷、水、正丁醇用量不变 时,表面活性剂的用量必须大于一定量时才能形 成微乳液,而且表面活性剂的量越大越易形成微 乳液. 表2表面活性剂用量对微乳液的影响 Table 2 Effects of concentration of the surfactant on microemulsion m(吐温)/g 微乳液是否形成 1.0 否 2.O 否 3.O 否 4.O 是 5.0 是 6.O 是 注:正丁醇用量8.6 mL,环已烷用量45.5 mL,水用量 2.0 mL. 根据拟三元相图、水量对微乳液形成的影响 和表面活性剂用量对微乳液的影响试验,综合考 虑确定微乳液各组分用量为:吐温一80 5.5 g,正 丁醇8.6 mL,环己烷45.5 mL,水2.5 mL. 2.2 X射线衍射(XRD)分析 TiO 有板钛矿、金红石和锐钛矿3种晶型. 板钛矿是一种不稳定结构,现在应用较多的是金 红石型和锐钛型,而锐钛矿光催化氧化活性比金 红石型高.用微乳液法制备的二氧化钛粉末在 100℃以下为黄白色,300 oC以下为深紫色,400 ℃以下为深紫红色,450℃以下为灰白色,500 oC 到700℃为纯白色.这是因为一开始有机成份分 中2 角为25.14。的衍射峰比较明显,应归属为 锐钛矿TiO 的(101)衍射面.从图2中可以看 出峰上无其它杂质存在,峰形有一定程度的宽 化,说明晶粒比较细小,其平均晶粒可以由锐钛 矿相TiO 最强衍射面(101)的半高宽 应用 Scherrer公式计算求得:d=KA//3cos0,其中 为 Scherrer常数,当K=0.89,A为x光波长 0.154 056 ilm; 为由晶粒大小引起的衍射线条 变宽时衍射峰的半峰宽;0为衍射角.又由公式可 计算得出粉体的平均粒径d(101)为8.37 nm. 1 80 l6O 140 &l20 越100 骥8O 蔡60 40 2O 0 -20 2 0/( ) 图2 TiO 在500℃时的X射线衍射图谱 Fig.2 X—ray diffraction pattern of TiO2 at 500℃ 2.3焙烧温度对晶型及平均晶粒度的影响 对不同焙烧温度下的产物用XRD对晶相 及锐钛矿型晶型101晶面平均晶粒度进行分析, 结果如图3所示. 墨 鹱 迄 图3 Ti02在500℃、600℃、700 oC时的x射线衍射图谱 Fig.3 X—ray diffraction patterns of TiO2 at 500℃.600℃.700℃ TiO 微晶的平均粒径由Scherrer公式求 第4期 高嵩,等:微乳液法制备纳米TiO 及其结构表征 得.由表3和图3可以看出:在500℃到600℃ 时,TiO 均出现锐钛矿(101)的特征峰(20= 了颗粒的分散性能;另一方面前驱体洗涤用丙酮 作洗涤剂,丙酮与水能形成氢键,会取代沉淀胶 团中的大部分结构水和吸附水,减少因水的羟基 25.14。);在700℃,TiO2同时出现金红石矿 (101)的特征峰(20=25.57。)和锐钛矿(101) 的特征峰.随着焙烧温度的逐步提高,晶型逐步 向金红石型转变,平均晶粒度(101)也增大. 表3焙烧温度对晶型、平均晶粒度的影响 形成团聚的因素,丙酮又具有较低的表面张力, 减小了脱溶剂过程中产生的毛细管力,使颗粒之 间的结合强度降低.灼烧温度控制在500℃,既 可得到晶形发育完全的锐钛型TiO:超细粒子, Table 3 Effect of calcination temperature on crystal form and an average grain size 2.4扫描电镜(SEM)分析 图4为TiO:粉末电镜放大图 放大55 Oo0倍 放大30 000倍 图4 TiO 粉末电镜放大图(500℃) Fig.4 TiO2 powder Enlargement electron microscopy(500℃) 从图4可以看出:二氧化钛粉末的粒径大概 在20 Ilm左右,TiO 粒子呈球形,灼烧后样品团 聚较少,与XRD分析所得平均粒径大致相符. 因为在微乳体系中,一方面连续的有机溶剂相和 胶团的表面活性剂膜有效隔离了沉淀颗粒,提高 又可减少高温灼烧中产生的团聚. 2.5粒径分布分析 从图5可以看出:二氧化钛粉末的粒径主要 集中在8~9 nm之间,约占70%左右,可见纳米 颗粒分布是比较均匀的. 40 堡; 姜磊 0 I._1 .|l_ 6 7 8 9 lO 11 粒径/nm 图5 TiO 粒径分布(500 oC) Fig.5 TiO2 particle size distribution(500℃) 3 结论 (1)分析了微乳体系中水和表面活性剂对 微乳液形成的影响,确定较优配比:5.5 g的吐 温一80,45.5 mL的环己烷,8.6 mL的正丁醇, 2.5 mL的水. (2)用 吐温.80/环己烷/正丁醇微乳体 系制备了超细二氧化钛粒子,制备过程简单,经 过50O℃煅烧合成了平均粒径为10 I112"1左右的 的纳米锐钛型TiO,微粉. (3)焙烧温度达到500 oC时,二氧化钛出现 锐钛矿晶型;随着焙烧温度的升高,晶型向金红 石型转变,平均晶粒度(A101)增大,从500℃的 8.37 nm到700℃的26.86 nm. 参考文献: [1]刘公召,隋智通,Sol—Gel法制备超细TiO:粉体条 件的研究[J].化学世界,2002,43(6):293~295. [2] Yan Zhiyu,Liu Kun,Gong Weimin.Micro—raC Oxi— dation Technics in Preparation of Nanometer TiO2 Photocatalyzer[J].Journal of Functional Materials 298 沈阳化工大学学报 2010正 and Devices,2007,13(3):241—245. 掺杂对TiO:粉末光催化性能的影响[J].中国陶 瓷,2006,42(5):l8—20. [3] Petit C,Lixon P,Pileni M P.In Situ Synthesis of Silver Nanocluster in Aotreverse Micelles[J].J Phys Chem,1993,97(49):12974—12983. [7] Frank S N,Bard A J.Heterogeneous Photocatalytic Oxidation of Cyanide and Sulite in Aqueousf Solu— [4] 范金山.微乳液法制备TiO 纳米粉体及其光催化 性能研究[J].人工晶体学报,2006,35(2):347— 350. tions at Semiconductor Powders『J].J Phys Chem, 1977,81(15):1484—1488. [8] Pichat P,Courbon H,Disdier J,et a1.Heterogeneous 5] 郑广涛,施建伟,陈铭厦,等.过渡金属离子掺杂纳 米TiO 的相变与光催化活性[J].化工学报, 2006,57(3):564—570. 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