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微波水热法合成超细纳米材料TiO2的研究
2016-05-06
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纳米级二氧化钛,亦称钛白粉。直径在100纳米以下,产品外观为白色疏松粉末。纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质,在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性,杀菌功能,且完全可以与食品接触,所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中、锂电池中。

微波加热有致热与非致热两种效应。微波辐射除了存在“致热效应”

外,还存在着直接作用于反应分子而引起的特殊的“非致热效应”,由于微波频率与分子转动频率相近,微波被极性分子吸收时,可与分子平动能发生自由交换,降低反应活化能,加快合成速度、提高平衡转化率、减少副产物、改变立体选择性等效应,从而促进了反应进程,即所谓的“特殊效应”或“非致热效应”。

微波水热法是把传统的水热合成法与微波场结合起来的一种新方法。其基本原理是利用微波场作为热源,反应介质在特制的能通过微波场的耐压反应釜中进行反应,通过微波加热创造一个高温高压反应环境,使通常难溶或者不溶的物质溶解并且重结晶,再经过分离和热处理得到产物。由于在高温高压条件下,介质水处于临界状态,反应物在水中的物性和化学反应性能都有很大改变,因此制备反应是在非理想、非平衡状态下进行的,其反应过程和机理也与常态下反应有很大的差异,反应的活性得到大大提高。在微波加热条件下,瞬间可使整个反应体系温度达到结晶化温度,极大地加速了合成与晶化的速度。对于凝胶反应,沉淀凝胶可快速溶解并均匀成核,迅速达到过饱和,缩短了结晶化时间。另外微波水热法具有可操作性和可调变性,有利于低价态、中间态与特殊价态化合物的生成,并能均匀地进行离子掺杂。

以四氯化钛为原料,加入聚丙烯酸(PAA)为表面修饰剂,采用微波水热法可成功制备了纳米TiO2。其中聚丙烯酸(PAA)的加入量为比15%。反应物经混合后置于微波消解仪MDS-6G系统反应罐中,在微波加热到180℃后,反应30min,得到的产物粒径均匀超细,晶化度高,比表面积大,催化活性高,进行一定的热处理,得到平均粒径为10nm 的纳米TiO2 粉体。常规水热需8小时,而且相对结果差。该实验结果表明,作为外加场引入的微波能显著提高反应速度,得到更理想的产品。

采用微波辐射与水热法相结合的微波水热法是一种新型制备方法。作为外加场引入的微波能使溶液在很短的时间被均匀的加热,大大消除了温度梯度的影响,同时有可能使沉淀相在瞬间萌发成核,TiO2 胶体颗粒迅速地发生晶化,从而获得粒径均匀的超细纳米TiO2 粉体。

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