溶胶—凝胶法制备负载型TiO2微球及复合薄膜

论文摘要

TiO2做为一种宽禁带的半导体材料,被广泛应用于精细陶瓷、建筑涂料、纺织、催化材料等领域。因此展开对纳米TiO2的制备、性质、结构及应用方面的研究,开拓易于工业化、对于物理方法更廉价的纳米TiO2化学制备方法,对制备具有不同形态的新型纳米TiO2以及优化纳米TiO2材料的各种性能有着巨大的指导意义。本文基于TiO2纳米晶的低温生长技术,分别合成了表面粗糙度可调的大粒径锐钛矿型TiO2微球和锐钛矿型TiO2溶胶,并通过将硅烷偶联剂KH560和TiO2复合,制备出KH560/TiO2有机无机复合薄膜。利用X-Ray衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）、粒度分析（FAM）、接触角等测试手段研究了TiO2的结晶性能、微观结构、亲水性能等。本论文的主要研究工作包括以下几个方面：1、TiO2微球的低温制备研究通过溶胶-凝胶法和后续水处理工艺的调控,在无模板的条件下,成功地制备出了TiO2微球,该微球形貌规则,且表面粗糙度可调,平均球径在700nm左右。随着水解温度的升高,制备出的TiO2微球球径增大,形貌趋于规则,球形度提高,表面粗糙度增大。随着水解温度的升高,颗粒的平均粒径增大,有锐钛矿纳米晶形成。在低温水解时,经过500℃热处理后TiO2微球晶粒尺寸小,表面光滑,更有利于颗粒的结晶形核与长大；纳米晶的形成有利于锐钛矿相向金红石相的转变。2、KH560/TiO2复合薄膜的制备研究（1）TiO2溶胶的低温制备研究在常温下以钛酸丁酯Ti（OC4H9）4为先驱体,乙醇为溶剂,浓盐酸为催化剂,通过钛酸丁酯在过量水中水解缩聚后得到了TiO2溶胶,并讨论了pH、加水量、热处理温度、水解温度、溶剂种类、催化剂种类的改变对TiO2溶胶形貌结构、晶相、结晶强度及晶粒尺寸的影响。在酸性条件下,采用溶胶凝胶法在常温条件下制备了锐钛矿型TiO2纳米晶溶胶,在pH=1～7、加水量100～400、水解温度20℃～80℃的条件下均能得到结晶度高的锐钛矿相溶胶。各实验条件对TiO2溶胶的影响可归结为以下几点：pH在1～3范围内,锐钛矿纳米晶开始形成；加水量在100～400范围内,均能得到锐钛矿相TiO2溶胶；TiO2溶胶锐钛矿相向金红石相的晶型转变温度在500～600℃；水解温度的升高将出现板钛矿相；催化剂和溶剂的种类可改变TiO2溶胶的形貌和结构；使用浓盐酸作催化剂,得到的是纯锐钛矿相TiO2溶胶,浓硝酸作催化剂,得到的是锐钛矿相和板钛矿相的混合TiO2溶胶。（2） KH560/TiO2复合薄膜的亲水性能研究采用溶胶-凝胶法,在TiO2溶胶制备基础上,将KH560和二氧化钛进行复合,得到分散稳定的二氧化钛基复合溶胶,通过提拉成膜的方法制备KH560/TiO2有机无机复合薄膜。通过考察钛酸丁酯与KH560摩尔比及加水量两个因素对KH560/TiO2复合薄膜形貌和润湿性的影响得出以下结论：随着钛酸丁酯浓度的增加,KH560/TiO2复合薄膜表面的TiO2颗粒增多,表面粗糙度加大,薄膜的亲水性提高。随着加水量的增加,KH560/TiO2复合薄膜表面的TiO2颗粒减少,薄膜表面趋于光滑平整,薄膜的接触角增大,薄膜由亲水型转为憎水型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 二氧化钛的晶体结构及性质
• 1.2 二氧化钛的应用
• 1.2.1 光催化方面的应用
• 1.2.2 抗菌剂方面的应用
• 1.2.3 染料敏化电池方面的应用
• 1.2.4 其他方面的应用
• 1.3 二氧化钛微球的制备
• 1.3.1 二氧化钛微球的发展现状
• 1.3.2 二氧化钛微球的制备方法
• 1.3.3 二氧化钛微球在应用中存在的不足
• 1.4 二氧化钛溶胶的制备
• 1.4.1 二氧化钛纳米粒子常用制备方法
• 1.4.2 溶胶-凝胶法
• 1.5 纳米二氧化钛的改性技术
• 1.5.1 金属离子的掺杂
• 1.5.2 半导体表面沉积贵金属
• 1.5.3 复合半导体
• 1.5.4 半导体光敏化
• 1.5.5 半导体表面的螯合衍生
• 1.5.6 半导体与粘土交联
• 2'>1.5.7 有机物改性TiO₂
• 1.6 课题的提出及立题依据
• 第二章 实验设计及测试方法
• 2.1 方案设计
• 2.1.1 二氧化钛微球的制备
• 2.1.2 二氧化钛溶胶的制备
• 2复合薄膜的制备'>2.1.3 KH560/TiO₂复合薄膜的制备
• 2.2 实际原料及仪器的选用
• 2.2.1 主要实验原料及选用
• 2.2.2 主要实验仪器
• 2.3 测试表征手段
• 2.3.1 热分析
• 2.3.2 扫描电镜表征
• 2.3.3 X射线能谱分析
• 2.3.4 X射线衍射测试
• 2.3.5 粒度分析
• 2.3.6 透射电镜表征
• 2.3.7 接触角测试
• 第三章 二氧化钛微球的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 2微球的溶胶-凝胶法制备'>3.2.1 TiO₂微球的溶胶-凝胶法制备
• 3.2.2 样品表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 酸碱度的影响
• 2微球的影响'>3.3.2 浓度配比对TiO₂微球的影响
• 3.3.3 水解温度对微球的影响
• 2微球形貌与结构的影响'>3.3.4 热处理对TiO₂微球形貌与结构的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 二氧化钛溶胶的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 2溶胶的制备'>4.2.1 TiO₂溶胶的制备
• 4.2.2 样品表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 pH值的影响
• 4.3.2 加水量的影响
• 4.3.3 热处理温度的影响
• 4.3.4 水解温度的影响
• 4.3.5 溶剂的影响
• 4.3.6 催化剂的影响
• 4.4 本章小结
• 2复合薄膜的制备与表征'>第五章 KH560/TiO₂复合薄膜的制备与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 2复合薄膜的制备'>5.2.1 KH560/TiO₂复合薄膜的制备
• 5.2.2 样品表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 钛酸丁酯浓度的影响
• 5.3.2 加水量的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 总结
• 6.2 本文创新点
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
• 致谢