一种抑制二氧化钛相变的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种抑制二氧化钛相变的方法，属于功能材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 1102存在三种晶体结构：金红石型、锐钛矿型和板钛矿型，板钛矿和锐钛矿相是亚 稳态，是TiO 2的低温相；金红石相是热力学稳定态，是TiO 2的高温相，锐钛矿相和板钛矿相 得到金红石相的转化温度一般为500~600°C。从锐钛矿到金红石的相变是亚稳态到稳定态 的不可逆相变，不存在特定的相变温度，通常有较宽的相变温度范围。温度的升高是促进 锐钛矿向金红石转变必不可少的条件，达到相变温度时，金红石的（100)面在母相锐钛矿的 (112)上形核长大。但相变的温度却受很多复杂的影响，如制备方法、晶粒尺寸、晶粒形态、 表面积、大气压、样品体积、煅烧时的升温速度、掺杂、第二相等。
[0003] 锐钛矿型1102具有比金红石型TiO2更好的光催化性能，尤其是当颗粒尺寸下降 到纳米级以后，其光催化特性更加显著，是在环保和光电池材料方面有广阔应用前景的光 催化材料，但在利用半导体材料实现光催化过的探索中发现，有两个重要瓶颈因素影响其 应用，一是TiO 2的能隙较宽（3. 2eV)，需要吸收387 nm以下的紫外线才能被激发，只能利用 太阳光中百分之五的光线。所以长期以来，国内外一直致力于拓宽TiO2的吸收光谱。二是 TiO2电子与空穴的复合率较高。这两个问题如不解决将从本质上限制其现实的应用性。各 国科学家近年来主要从两个方面进行深入研宄试图解决这两个瓶颈因素。一个方面是采用 表面修饰改性手段，如贵金属沉积、有机染料敏化、离子掺杂及与窄带隙半导体耦合等对宽 带隙半导体材料（Ti0 2、ZnO等）进行改性，并开展了大量的卓有成效的研宄工作。另一个 方面是从纳米半导体材料的晶相结构、粒径大小、表面属性等材料合成角度出发，试图通过 合成新型高性能的新型纳米结构材料并使之实用化。
[0004] 金属离子掺杂TiO2是普遍认为较可行的控制TiO2相变的方案。掺杂可以促进或 抑制TiO 2相变，掺杂的目的是改变带隙，引入杂质能级，改善电荷和载流子的分布。掺杂离 子可能与1102形成置换固溶体，进入锐钛矿晶格并影响氧空位的数量；也可能与TiO 2形成 填隙固溶体，使晶格被束缚。目前，掺杂金属离子抑制二氧化钛相变的方法主要是以上两 种。但是这两种方法取决于掺杂元素氧化物的熔点、价态等，不同的元素掺杂，可能促进相 变，也可能抑制相变。本发明将利用掺杂元素析出第二相来抑制二氧化钛的相转变。这是因 为Ce或La的掺杂导致110 2体系中存在偏析驱动能，偏析驱动能是离子半径差异引起的弹 性应变能，而掺杂离子 La3+ (0.1032 nm)、Ce4+ (0.087 nm)、Ce3+ (0.102 nm)的半径比 Ti4+ (0.0605 nm)大得多，导致La3+、Ce4+、Ce3+很难稳定存在TiO 2晶格中，即使掺杂含量很低，都 有可能出现掺杂离子的偏析，最终导致La'Ce4+、Ce 3+在晶界处析出，形成第二相，相当于 引入杂质粒子，对晶界和晶粒有钉扎作用，阻碍晶界移动和抑制晶粒长大，从而抑制了 TiO2 的晶型转变。
【发明内容】
[0005] 为了提高二氧化钛的光催化性，本发明通过金属离子掺杂析出第二相提高二氧化 钛从锐钛矿向金红石转变的相变温度，所制备出二氧化钛为纳米级，而且制备成本较低，设 备简单，操作温度低，本发明所述方法包括以下步骤： (1) 按前驱体钛酸四丁酯与无水乙醇体积比为1:2~1:5的比例将前驱体钛酸四丁酯与 无水乙醇混合后作为A液； (2) 按HNO3、去离子水、无水乙醇的体积比为1:3~6:17~20的比例将HNO3、去离子水、无 水乙醇混合后作为B液； (3) 将 Fe (NO3) 3·9H20、La2O3或者 Ce (NO 3) 3·9H20 溶于 B 液； (4) 在磁力搅拌器中，将B液缓慢滴加入A液，之后继续搅拌1小时； (5) 将该溶胶在室温下静置陈化24~96小时，然后放入干燥箱中干燥； (6) 取出干凝胶在玛瑙研钵中进行研磨； (7) 将步骤（6)得到的粉末在450~850°C下煅烧30分钟，然后随炉冷却，即得到纯二氧 化钛粉末。
[0006] 本发明所述硝酸采用质量百分比浓度为65%~68%的ΗΝ03。
[0007] 本发明所述将B液缓慢滴加入A液中后PH值为2~5。
[0008] 本发明所得凝胶在干燥箱中70°C ~100°C下干燥24~96小时。
[0009] 本发明的有益效果为： (1) 本发明可有效的降低二氧化钛相变的温度，且操作简单； (2) 本发明可摆脱掺杂元素氧化物熔点、掺杂元素价态等因素的束缚，只要掺杂离子半 径大于Ti4+，易析出第二相，即可抑制二氧化钛相变； (3 )本发明制备的纯1102粉末的锐钛矿相向金红石相转变主要发生在450~650 °C之间， 掺杂5mol%Ce或La的1102粉末的锐钛矿相向金红石相转变主要发生在550~850°C之间， 可见，Ce或La的掺杂抑制了 TiO2粉末的相转变，将相变终止温度提高了 200°C ;这是因为 La3+、Ce4+、Ce3+在晶界处析出，形成第二相Ce2TiOjP La4Ti9O24;相当于引入杂质粒子，对晶 界和晶粒有钉扎作用，阻碍晶界移动和抑制晶粒长大，从而抑制了 TiO2的晶型转变。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明的工艺流程图； 图2是实施例1制备的纯TiO2粉末的XRD图； 图3是实施例2掺杂Ce的TiO2粉末的XRD图； 图4是实施例3掺杂La的TiO2粉末的XRD图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围 并不限于所述内容。
[0012] 实施例1 (1) 按前驱体钛酸四丁酯与无水乙醇体积比为1:2的比例，将前驱体钛酸四丁酯与无 水乙醇混合后作为A液； (2) 按HNO3 (质量百分比浓度为65%)、去离子水、无水乙醇的体积比为1:3:17的比例 将HNO3、去离子水、无水乙醇混合后作为B液； (3) 在磁力搅拌器中，将B液缓慢滴加入A液后PH值为5,之后继续搅拌1小时； (4) 将该溶胶在室温下静置陈化24小时，然后放入干燥箱中于70°C下干燥96小时； (5) 取出干凝胶在玛瑙研钵中进行研磨； (6 )将步骤（6 )得到的粉末分别在400 °C、450 °C、550 °C、650 °C，下煅烧30分钟，然后随 炉冷却，即得到纯二氧化钛粉末。
[0013] 如图2和表1所示，本发明制备的纯二氧化钛粉末在450 °C时88. 4 wt%为锐钛矿 相，随着煅烧温度升高金红石相开始增多，并在650 °C时完全转变为金红石相。
[0014] 实施例2 (1) 按前驱体钛酸四丁酯与无水乙醇体积比为1:3的比例，将前驱体钛酸四丁酯与无 水乙醇混合后作为A液； (2) 按HNO3 (质量百分比浓度为66%)、去离子水、无水乙醇的体积比为1:4:18的比例 将HNO3、去离子水、无水乙醇混合后作为B液； (3) 将适量Ce (NO3) 3·9Η20溶于B液； (4) 在磁力搅拌器中，将B液缓慢滴加入A液后PH值为4,之后继续搅拌1小时； (5) 将该溶胶在室温下静置陈化48小时，然后放入干燥箱中于80°C下干燥72小时； (6) 取出干凝胶在玛瑙研钵中进行研磨； (7) 将步骤（6)得到的粉末分别在550°0、700°0、750°0、850°0下煅烧30分钟，然后随 炉冷却，即得到铈掺杂的二氧化钛粉末。
[0015] 如图3和表1所示，本发明制备的掺杂5mol%Ce的二氧化钛粉末在550°C时仅有 32. 5 wt%锐钛矿相，在700°C时出现33. 2 wt%的金红石相，在750°C时有Ce2TiO5析出，当 温度升高到850°C时完全转变为金红石相；可见掺杂Ce的TiO 2粉末，较纯TiO2粉末的相变 终了温度提高200 °C， 实施例3 (1) 按前驱体钛酸四丁酯与无水乙醇体积比为1:4的比例，将前驱体钛酸四丁酯与无 水乙醇混合后作为A液； (2) 按HNO3 (质量百分比浓度为67%)、去离子水、无水乙醇的体积比为1:5:19的比例 将HNO3、去离子水、无水乙醇混合后作为B液； (3) 将适量La2O3溶于B液； (4) 在磁力搅拌器中，将B液缓慢滴加入A液后PH值为3,之后继续搅拌1小时； (5) 将该溶胶在室温下静置陈化72小时，然后放入干燥箱中于KKTC下干燥24小时； (6) 取出干凝胶在玛瑙研钵中进行研磨； (7) 将步骤（6)得到的粉末分别在550°0、650°0、750°0、850°0下煅烧30分钟，然后随 炉冷却，即得到镧掺杂的二氧化钛粉末。
[0016] 如图4和表1所示，本法制备的掺杂5mol%La的二氧化钛粉末在550 °C时表现为 70.1 wt%板钛矿相和29. 9 wt%锐钛矿相两相共存，在750 °C时出现23. 4 wt%的金红石 相，较掺杂Ce样品出现金红石相的温度进一步升高；在850°C时，TiO2的锐钛矿相完全转变 为金红石相，并伴随有1^ 4119024的析出，La 4Ti9024的出现说明La 3+不能进入TiO 2中，只能与 1102结合生成La4Ti9O 24, La4Ti9O24是以La Ji2O7为主晶相的化合物。可见掺杂La的TiO 2粉 末，较纯TiO2粉末的相变终了温度提高200 °C。
[0017] 表1不同煅烧温度下实施例1~3制备1102粉末的物相组成
【主权项】
1. 一种抑制二氧化钛相变的方法，其特征在于，具体包括以下步骤： (1) 按前驱体钛酸四丁酯与无水乙醇体积比为1:2~1:5的比例将前驱体钛酸四丁酯与 无水乙醇混合后作为A液； (2) 按HNO3、去离子水、无水乙醇的体积比为1:3~6:17~20的比例将HNO3、去离子水、无 水乙醇混合后作为B液； (3) 将 Fe (NO3) 3·9H20、La2O3或者 Ce (NO 3) 3·9H20 溶于 B 液； (4) 在磁力搅拌器中，将B液缓慢滴加入A液，之后继续搅拌1小时； (5) 将该溶胶在室温下静置陈化24~96小时，然后放入干燥箱中干燥； (6) 取出干凝胶在玛瑙研钵中进行研磨； (7) 将步骤（6)得到的粉末在450~850°C下煅烧30分钟，然后随炉冷却，即得到纯二氧 化钛粉末。
2. 根据权利要求1所述的抑制二氧化钛相变的方法，其特征在于：所述硝酸采用质量 百分比浓度为65%~68%的ΗΝ03。
3. 根据权利要求1所述的抑制二氧化钛相变的方法，其特征在于：所述将B液缓慢滴 加入A液中后PH值为2~5。
4. 根据权利要求1所述的抑制二氧化钛相变的方法，其特征在于：所得凝胶在干燥箱 中70~100°C下干燥24~96小时。
【专利摘要】本发明公开了一种抑制二氧化钛相变的方法，属于功能材料技术领域。本发明所述方法将前驱体钛酸四丁酯与无水乙醇按比例混合为A液；按一定比例将HNO3、去离子水、无水乙醇和掺杂物混合成B液；在磁力搅拌器中，将B液缓慢滴加入A液，之后继续搅拌1h；将该溶胶在室温下静置陈化，然后放入干燥箱中干燥；取出干凝胶在玛瑙研钵中进行研磨；将得到的均匀粉末在马弗炉中煅烧，然后随炉冷却，即得到二氧化钛粉末；本发明提高了二氧化钛粉末由锐钛矿相金红石转变温度。本发明所述方法可有效的降低二氧化钛相变的温度，摆脱掺杂元素氧化物熔点、掺杂元素价态等因素的束缚，只要掺杂离子半径大于Ti4+，易析出第二相，即可抑制二氧化钛相变。
【IPC分类】B01J23-10
【公开号】CN104645963
【申请号】CN201510058873
【发明人】甘国友, 荣雪荃, 严继康, 康昆勇, 杜景红, 赵文超, 王志敏, 张家敏, 刘意春
【申请人】昆明理工大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月5日