納米TiO₂粉體有白色和透明狀的兩種顆粒，常見的TiO₂粉體主要為金紅石、銳鈦礦、板鈦礦等3種晶型，其中金紅石和銳鈦礦四方晶系，板鈦礦是正交晶系。納米二氧化鈦以其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無毒性、超親水性、非遷移性，且完全可以與食品接觸，被廣泛應(yīng)用于抗紫外材料、紡織、光催化觸媒、自潔玻璃、防曬霜、涂料、油墨、食品包裝材料、精細(xì)陶瓷、造紙工業(yè)、航天工業(yè)中、鋰電池等領(lǐng)域。因此，納米TiO₂成為廣泛關(guān)注的熱點，是當(dāng)前應(yīng)用前景最為廣闊的一種納米材料。我國對納米TiO₂的研究已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與生產(chǎn)階段，目前，納米TiO₂的制備方法主要有氣相法、液相法。

一、 納米TiO₂的制備方法

1、 氣相法

氣相法是直接利用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)變成氣體，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒的方法。納米TiO₂制備氣相法主要包括TiCl₄氣相水解法、氣相氧化法、鈦醇鹽氣相分解法、霧化水解法等。

（1）TiCl₄氣相水解法

TiCl₄氣相氧化法以精制的氫氣、空氣、氯化物（TiCl4）蒸氣為原料。按一定的配比放進(jìn)水解爐進(jìn)行高溫水解，水解溫度一般控制在1800℃，氫氣與氧氣在高溫下反應(yīng)生成氣態(tài)水， 氣態(tài)水與TiC14在高溫下反應(yīng)生成TiO₂一次顆粒， 生成的一次顆粒燒結(jié)后變成 TiO₂納米粒子。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

納米 TiO₂的反應(yīng)機(jī)理為：

該制備方法一次氧量的控制對TiO₂顆粒的晶形有顯著影響。如一次氧含量較高時，金紅石的含量很低，銳鈦的含量較高；一次氧氣含量較低時則相反。

TiCl₄氣相水解法優(yōu)點：生產(chǎn)納米 TiO₂得到的納米度極高；缺點是工藝復(fù)雜條件不容易控制。

（2）氣相氧化法

氣相氧化法以 O₂、TiCl₄、N₂（載氣）為原料，在制備過程中一部分氮氣攜帶經(jīng)過高溫預(yù)熱的 TiCl₄蒸汽進(jìn)入反應(yīng)器，還有一部分氮氣進(jìn)入反應(yīng)器尾部，一方面作為冷卻氣體，另一方面防止生成的 TiO₂粒子凝并，接著將經(jīng)過預(yù)熱的氧氣噴進(jìn)反應(yīng)器，直接進(jìn)行氧化還原反應(yīng)得到 TiO₂金紅石型粒子。該工藝的關(guān)鍵是噴嘴和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計、納米 TiO₂遇冷壁結(jié)疤、產(chǎn)品的收集等問題。

氣相氧化法優(yōu)點：原料易得、產(chǎn)品粒度細(xì)、單個顆粒分散性好；缺點：制備工藝復(fù)雜，不容易控制。

（3）鈦醇鹽氣相分解法

鈦醇鹽氣相分解法以鈦醇鹽為原料，將其加熱氣化，用氮氣、氦氣或氧氣作載氣，把鈦醇鹽蒸氣預(yù)熱后導(dǎo)入熱分解爐，進(jìn)行熱分解反應(yīng)，制得納米 TiO₂粒子。

該工藝的優(yōu)點是：可連續(xù)生產(chǎn)，反應(yīng)速度較快；缺點是設(shè)備的材質(zhì)、型式以及加熱問題有待進(jìn)一步解決，且原料較貴。

（4）霧化水解法

霧化水解法采用鈦醇鹽為前驅(qū)物，利用靜電超聲等手段將其霧化成極其微小的液滴，再隨載氣進(jìn)入反應(yīng)器中，經(jīng)過短時間的水解，最后得到二氧化鈦粉末。其工藝流程如下：

霧化水解法工藝流程

霧化水解法優(yōu)點是：制備二氧化鈦過程迅速、純度高、粒徑大小可控、分散性好，可以達(dá)到自動化、連續(xù)化的生產(chǎn)；缺點是：制備過程中溫度限制，得到金紅石型二氧化鈦則還要通過高溫煅燒過程。

2、液相法

與氣相法相比，液相法生產(chǎn)的原料成本低了一個數(shù)量級。而且具有原料無毒、無危險性、常溫液相反應(yīng)、工藝過程簡單易控制、易擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)、三廢污染少。液相法主要包括：沉淀法、溶膠-凝膠法、液相沉積法和微乳液法等。

（1）沉淀法

沉淀法制備納米TiO₂的原理是在一定條件向含鈦溶液中加入沉淀劑，于是生成沉淀析出，將沉淀物洗滌、干燥后再熱處理可得到納米TiO₂粒子。其反應(yīng)機(jī)理為：

直接沉淀法優(yōu)點：操作簡單易行、成本低、對設(shè)備、技術(shù)要求不嚴(yán)。缺點是容易引人雜質(zhì)，而且粒度分布較寬。

（2）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法通常以鈦醇鹽作為原料，經(jīng)過水解縮聚反應(yīng)得到溶膠。制備步驟：首先將鈦酸鹽加入到溶劑（一般為醇）中，通過不斷攪拌形成均勻溶膠，接著鈦醇鹽和水發(fā)生水解反應(yīng)，并伴有失水、失醇反應(yīng)，所得物質(zhì)聚在一起形成溶膠，經(jīng)過烘干、煅燒和研磨最后得到納米二氧化鈦粉體。在制備過程中需要嚴(yán)格控制 PH值、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度等條件。其工藝流程如下：

溶膠凝膠制備法優(yōu)點是制備溫度低、設(shè)備簡單、產(chǎn)品活性高、粒徑小分布均勻，因此特別適于制備非晶體；缺點是成本較高，烘干和煅燒過程中溶膠的體積收縮較大，并且制備的二氧化鈦易團(tuán)聚。

（3）液相沉積法

液相沉積法是在原料液中加入適量的沉淀劑，從而使溶液中的陽離子形成沉淀，再利用過濾、 洗滌、 烘干等手段制備納米顆粒的方法。此方法一般以Ti(SO4) ₂和TiCl₄等鈦鹽作為原料。主要過程為:將堿類物質(zhì)( 如氨水、碳酸鈉、氫氧化鈉等) 添加到鈦鹽溶液中形成 Ti( OH) ₄，再經(jīng)過濾、洗滌、烘干過程，最后通過煅燒得到不同晶型的納米二氧化鈦粉體。其工藝流程圖如下：

液相沉積法工藝流程圖

液相沉積法制備優(yōu)點：二氧化鈦工藝簡單且原料價廉易得，缺點是：粒子團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，工藝流程過長、料液損失大、純度低等不足之處。

（4）微乳液法

微乳法可制備單分散的納米TiO₂粉體。微乳液是由水、油和表面活性劑組成的熱力學(xué)穩(wěn)定體系，其中水被表面活性劑單層包裹形成微水池，均勻分散于油相中。每個水核類似一個微反應(yīng)器，相關(guān)反應(yīng)在微水池中進(jìn)行，通過控制微水池的尺寸來控制顆粒的大小。

微乳液制備的TiO₂納米顆粒粒徑小、分散好、形貌規(guī)整、分布窄。微乳液制備納米 TiO₂時需要大量溶劑易造成浪費。

二、納米 TiO₂的應(yīng)用

光觸媒納米二氧化鈦工作原理

1、殺菌材料

（1）用TiO2光催化氧化深度處理自來水，可大大減少水中的細(xì)菌數(shù)，飲用后無致突變作用，達(dá)到安全飲用水的標(biāo)準(zhǔn)；

（2）在涂料中添加納米TiO2可以制造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料。

2、電池原料

（1）納米二氧化鈦具有極好的高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，快速充放電性能和較高的容量，脫嵌鋰可逆性好等特點，在鋰電池領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

（2）在化學(xué)能太陽能電池中，納米二氧化鈦晶體具有光電轉(zhuǎn)換率高、能很大提高太陽電池的能量轉(zhuǎn)換率、成本廉價、工藝簡單及性能穩(wěn)定的特點。

（3）在鎳鎘電池中，納米二氧化鈦具有良好的導(dǎo)電性、寬溫度工作范圍的特點。

2、 高檔汽車漆

納米級二氧化鈦與鋁粉混合顏料或納米二氧化鈦包覆的云母珠光顏料添加于涂料中，其涂層能產(chǎn)生神秘而富有變幻的隨角異色效應(yīng)。

3、 化妝品

納米二氧化鈦，呈透明狀，因此在阻擋紫外線、透過可見光以及安全性方面具有一般化妝品原料所不具備的許多優(yōu)良特性和功能。

4、 其他方面

（1）信息與通訊方面的磁性存儲器、光學(xué)存儲器、液晶顯示、光學(xué)方面的功能性薄膜；

（2）電子方面的原件開發(fā)，能源方面的太陽能電源，熱敏絕緣體，測量與控制技術(shù)方面的傳感器；

（3）陶瓷方面的結(jié)構(gòu)陶瓷，功能陶瓷；

（4）抗老化橡膠、功能油漆、光催化降解劑、超高磁能衡土水磁體等。

參考文獻(xiàn)：

1、 魏紹東，殷道純等，《以 TiCI₄為原料制備納米TiO₂的研究進(jìn)展》 ；

2、 程易，陳家琦等，《高溫氣相法可控制備納米TiO₂》 ；

    3、胡日博，張新娜等，《直接沉淀法制備納米 TiO₂粉體的研究》 。

作者：李波濤