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纳米二氧化钛的应用

yangpeixiuke 2011-12-14 06:32:32 611  浏览
  • 纳米二氧化钛,性质,制备,改性,应用,催化剂,合成 纳米二氧化钛,性质,制备,改性,应用,催化剂,合成

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  • isshoukennmei 2011-12-15 00:00:00
    从迄今为止的研究状况看,关于纳米技术分为三种概念。diyi种,是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子的机器实用化,从而可以任意组合所有种类的分子,可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去,从理论上讲终将会达到限度。这是因为,如果把电路的线幅变小,将使构成电路的绝缘膜的为得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型的纳米技术。 第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来,生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。 所谓纳米技术,是指在0.1~100纳米的尺度里,研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中,发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子,显著地表现出许多新的特性,而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术,就称为纳米技术。 纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技,人类正越来越向微观世界深入,人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。我国科学家钱学森也曾指出,纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个ZD,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。 虽然距离应用阶段还有较长的距离要走,但是由于纳米科技所孕育的极为广阔的应用前景,美国、日本、英国等发达国家都对纳米科技给予高度重视,纷纷制定研究计划,进行相关研究 “纳米”是英文nanometer的译名,是一种度量单位,是十亿分之一米,约相当于45个原子串起来那么长。而纳米技术也就是在纳米尺度(0.1nm到100nm之间)的研究物质的相互作用和运动规律,以及在实际应用中利用这些规律的多学科的科学和技术。其基本含义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子创造新的物质。 纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。 从迄今为止的研究状况看,关于纳米技术分为三种概念。 diyi种,是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子的机器实用化,从而可以任意组合所有种类的分子,可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去,从理论上讲终将会达到限度。这是因为,如果把电路的线幅变小,将使构成电路的绝缘膜变得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型的纳米技术。 第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来,生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。 纳米技术包含的主要方面为: 纳米材料学(nanomaterials);纳米电子学(nanoelectronics);纳米动力学(nanodynamics);纳米生物学(nanobiology)和纳米药物学(nanopharmics)。 纳米技术的研究方式(approaches):从纳米技术研究的尺度范围来看,研究纳米技术的方法可以采取“从小到大”(bottom up)和“从大到小”(top down)两种方式。“top down”的方式是利用机械和蚀刻技术制造纳米尺度结构。而“bottom up”是应用一个原子一个原子或一个分子一个分子创造有机和无机结构。“top down”或“bottom up”可以用来衡量纳米技术发展的水平。 纳米科学技术使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。其Z终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。这可能改变几乎所有产品的设计和制造方式,实现生产方式的飞跃。因而纳米科技将对人类产生深远的影响,甚至改变人们的思维方式和生活方式。 纳米技术 纳米是长度单位,等于10亿分之1米,即1nm=0.000000001m,大体上等于四个原子的直径。纳米技术就是在纳米的尺度范围内,设法组成新物质,开发新应用的技术。它所涉及的领域介于宏观和微观之间,有着十分诱人的前景。例如纳米碳管是由石墨中的一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维,内部空心,外部直径只有几到几十纳米,相当于头发丝的万分之一,密度只有钢的六分之一,而强度却是钢的100倍,是做成防弹背心等织物的理想材料。也可以作为显象管底板涂层,生产出薄型、节能的壁挂式电视屏。利用纳米技术可以把电子囚禁在一个纳米颗粒或一根极细的短金属丝内,进而制成单电子器件,即用一个电子来控制电路。这样计算机的容量和计算速度可大为提高。用纳米技术做成的所谓量子磁盘,能作高密度的磁记录,每平方厘米的面积上可储存3万部《红楼梦》。 纳米技术、信息技术与生物技术被称为二十一世纪的三大主导技术。纳米技术的发展将对材料科学、生命科学、医学产生极大的影响。在物质世界的微观和宏观两个领域内,人类取得了巨大的进步,而介于它们之间1—100纳米的世界里,科学家们发现了一些物理、化学上的奇异现象,比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率、磁化率等完全不同于我们现有的常识,由这些全新的发现可能导致的全新理论的问世将给人类常来重大的影响,会成为一场持续的革命。 纳米技术是中华民族科学技术发展过程中遇到的一次绝好的机会。目前西方各国如美国、日本、欧盟都纷纷提出自己的纳米技术发展战略和计划,ZG的企业界和科学家密切合作,推动纳米科学不断发展。 本公司全体同仁愿和全国同行一起生产出更多更好的纳米粉体材料和纳米复合材料。 纳米日化用品 >> SOMO公司将高端纳米技术引入常规日化产品,使普通家庭也能轻松享受科技带来的方便。SOMO出品之日化品,从研发、生产到销售,均精选原料,运用高新技术全力打造对环境无污染,对人体无危害的全绿色环保产品。 由于纳米之特性,SOMO所推日化品均为液态,既能大大提高产品利用率,同时也方便顾客使用。 纳米健康制品 >> 健康,21世纪人们Z重视的话题。SOMO运用自身拥有的技术优势,致力于在食品、药品方面推陈出新。系列保健型食品在调节人体机能上有显著效果,而个人护理用品则以外用为主,通过纳米化有效成份,使其生物利用度大大提高,从而产生显著效果。 纳米新材料 >> SOM0开发生产的新型真空绝热材料在国内外VIP行业处于lingxian地位。该产品具有优异的节能效果,其绝热性能是传统绝热材料的4~10倍。另外,还具有重量轻、环保、安全、可靠和使用方便等特点,并可做成各种异型产品,现海尔和科龙已和我公司合作,并大规模使用。

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超声波法合成纳米二氧化钛粉末晶体的制备及表征

【引言】

纳米材料的出现对化学、电子、生物技术等多个科学技术领域产生了重大影响。纳米材料在光学、电学、磁性、催化、生物或机械等领域的广泛应用源于其独特的、可调谐的纳米结构,使其合成成为Z有前景和挑战性的研究和发展领域之一。纳米粒子/纳米材料具有新颖的物理、化学和机械性能,可作为解决能源、环境、健康、通信和相关领域问题的创新解决方案的主要组成部分。纳米材料的功能依赖于表面积与体积比,因为与周围介质的相互作用很大程度上取决于表面面积的大小和材料表面的性质。纳米二氧化钛因其在陶瓷、氢和一氧化碳气体传感器、催化和光催化应用(包括医药、环境清洁、消毒、水制氢、人工光合作用、太阳能电池薄膜应用以及自清洁/KJ/亲水性表面)等方面的潜力和应用而受到广泛关注。

 

【成果介绍】

Özlem Çağlar Duvarci等人在不使用任何模板或化学品的情况下,通过超声波处理乙醇-水混合物,水解异丙醇钛合成纳米介孔二氧化钛粉末晶体。将异丙醇-钛混合物滴加到置于超声波浴中的水-乙醇混合物中。将超声化学合成的粉末与采用德固赛P-25二氧化钛粉末制备的未经过超声处理的粉末的性能进行了比较。测定了相结构、晶粒尺寸、比表面积、粒度、粉末密度,并对烧结行为进行了分析。在25 °C条件下,以锐钛矿和板钛矿相的混合物为原料,采用超声波诱导水解法制备了纳米二氧化钛粉末(TiO2-U)。在70 °C条件下检测了未经超声处理制备的纳米二氧化钛粉末(TiO2-NoU)中的板钛矿相。两种粉末的锐钛矿-金红石相转变均在500-700 °C范围内完成。在25 °C下,TiO2-NoU和TiO2-U的平均晶粒尺寸分别为10 nm和5 nm。当煅烧温度从200 °C提高到500 °C时,TiO2-NoU的表面积从238减小到106 m2/g, TiO2-U的表面积从287减小到82 m2/g。采用LINSEIS热膨胀仪L76测定了粉末在210兆帕的等静压下压实的致密化行为,升温速率为5 °C /min或10 °C /min,Z高可达1200 °C。氮气的吸附-解吸行为随煅烧温度的变化以及相应的孔径分布/体积的变化,与粉末合成和煅烧过程中紧密堆积的亚微米团聚体的形成有关。结果表明烧结行为受7-10 nm微晶和亚微米团聚体的控制。用不同方法和不同浓度掺杂剂制备的二氧化钛粉末的致密化行为的测定,对于更好地理解相/孔结构的演化是非常有用的,而相/孔结构的演化对许多应用都是至关重要的。

 

【图文导读】

 

1 超声辐照法制备纳米二氧化钛工艺流程

 

 

2 425 °C热处理的纳米二氧化钛(TiO2-U)(□)和德固赛P-25(◊)的pH值与ζ电位变化的关系

 

 

3 TiO2-NoU在(a)25 °C、(b)70 °C、(c)100 °C、(d)250 °C、(e)300 °C、(f)400 °C、(g)500 °C、(h)600 °C、(k)700 °C和(l)800 °C下热处理的XRD图谱

 

 

4 TiO2-U在(a)25 °C、(b)70 °C、(c)150 °C、(d)250 °C、(e)300 °C、(f)400 °C、(g)500 °C、(h)600 °C、(k)700 °C和(l)800 °C下热处理的XRD图谱

 

 

5 (a)TiO2-NoU和(b)TiO2-U粉末中各晶相质量分数随温度的变化

 

 

6温度对(a)TiO2-NoU和(b)TiO2-U粉末平均晶粒尺寸(ACS)和表面等效粒径(SAEPS)的影响

 

 

7 TiO2-NoU二氧化钛粉末在200 °C(□)、300 °C(◊)、400 °C(Δ)和500 °C(×)加热的(a)N2吸附等温线和(b)BJH解吸的孔隙大小分布

 

8 TiO2-U二氧化钛粉末在200 °C(□)、300 °C(◊)、400 °C(Δ)和500 °C(×)加热的(a)N2吸附等温线和(b)BJH解吸的孔隙大小分布

 

 

9德固赛P-25(□)的(a)N2吸附等温线和(b)BJH解吸的孔隙大小分布

 

 

10 (a) TiO2-NoU和(b) TiO2-U粉末的BET表面积的变化(□)和基于BJH解吸的孔隙大小(◊)与温度的关系

 

11 TiO2-U中纳米二氧化钛密度的变化(◊)和金红石质量分数(□)与温度的关系

 

 

12 (a)德固赛P-25、TiO2-NoU和TiO2-U在N2气氛下的TGA曲线,(b) TiO2-NoU和TiO2-U粉末在25℃干燥后的FTIR曲线

 

 

13 DLS测量的(a)TiO2-U作为析出物、(b)TiO2-U-425、(c)德固赛P-25的粒径分布

 

 

14 德固赛P-25、TiO2-NoU和TiO2-U在升温速率(a)5 °C/min和(b)10 °C/min时的收缩曲线

 

 

15 德固赛P-25、TiO2-NoU和TiO2-U在升温速率(a)5 °C/min和(b)10 °C/min时收缩曲线的一阶导数

 

【结论】

在室温下经超声或未超声辐照水解异丙醇钛制备了纳米二氧化钛粉末晶体。超声辐照在水解过程中的应用有利于板钛矿相的形成,晶粒更小,比表面积/孔体积更大,孔径分布更窄。在500 °C热处理后得到纯锐钛矿相。TiO2-NoU和TiO2-U粉末锐钛矿转化金红石相的过程均在500-550 °C范围内开始,在800 °C条件下完成。TiO2-NoU和TiO2-U粉末呈介孔结构,具有较高的吸附能力。另一方面,工业德固赛P-25粉末具有大孔结构。热处理使孔隙尺寸分布变宽,孔隙体积减小,这可能与小孔隙的坍塌和大晶粒的形成有关,从而使孔隙结构变粗。FTIR分析证实了Ti(OH)4的存在,TGA分析检测了其在加热至200 °C时向TiO2的转化。TiO2-NoU粉末的总失重率比TiO2-U粉末高约5 wt.%。DLS粒度分析显示TiO2-U-425粉末中存在25 nm和109 nm颗粒(分别约为97.8%和2.2%)。纳米二氧化钛的膨胀收缩曲线表现为两级烧结行为,前者在500-850 °C范围内由微晶(7–10 nm)控制,后者由亚微米范围的团聚体控制。利用收缩曲线的一阶导数分析了粉末烧结过程中粉末的相结构演化,为钛纳米材料的表征提供了依据。




(来源:林赛斯(上海)科学仪器有限公司)

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