硫酸钛为钛源制备二氧化钛的实验条件研究

第29卷第3期

2011年7月沈阳师范大学学报(自然科学版) Jour nal of S heny ang N or mal Univer sity (N atur al Science) Vol 29No. 3Jul. 2011文章编号:1673-5862(2011) 03-0421-04

硫酸钛为钛源制备二氧化钛

的实验条件研究

毛媚1, 田鹏1, 于龙2, 赵婷婷1, 吕烨1, 吴迪1

(1. 沈阳师范大学化学与生命科学学院, 沈阳 110034;

2. 沈阳师范大学实验中心, 沈阳 110034)

摘要:实验以硫酸钛为钛源、尿素为沉淀剂、聚乙二醇600为分散剂, 采用均匀沉淀法制备

二氧化钛粉末。主要讨论了影响沉淀形成时间的主要因素:尿素的用量及加入方法、聚乙二醇的

用量、以及水浴的温度等。实验结果表明, 以硫酸钛为钛源、尿素为沉淀剂、聚乙二醇600为分散

剂, 采用均匀沉淀法制备二氧化钛粉末最佳反应条件为:在水浴加热343K 条件下, 将尿素缓慢滴

加到硫酸钛和聚乙二醇600的混合液中, 硫酸钛和聚乙二醇600的混合液在磁力搅拌器搅拌时滴

加尿素, 用硫酸调节pH 在1 5~2, 保持硫酸钛、尿素和聚乙二醇600的摩尔比1 12 0. 01。

关键词:硫酸钛; 二氧化钛; 均匀沉淀法; 沉淀时间

中图分类号:O 643 文献标志码:A

doi:10. 3969/j. issn. 1673 5862. 2011. 03. 023

0 引言

自从1972年Fujishim a 等人研究发现了在二氧化钛电极表面进行辐射可以得到水分子后, 以T iO 2为先驱的光催化材料越来越引起人们的兴趣和关注[2-5][1]。随着纳米技术的进一步发展, 二氧化钛作为一种新型的纳米材料在这一领域已经发挥了巨大的作用[6]。二氧化钛因其化学性质稳定[7]、无毒和无污染等优点, 在涂料、污水处理、陶瓷、化妆品和医药等领域得到广泛的应用, 越来越受到人们的重视[8-11]。纳米二氧化钛的制备方法很多, 但在一定程度上都有其缺点[12], 如生产成本高、粒径分散性差以及工艺流程复杂等。因此, 克服这些缺点, 研究出简单有效的制备二氧化钛的方法受到人们的广泛关注[13]。

二氧化钛粉末的制备方法很多, 直接沉淀法、共沉淀法、水热法、溶胶凝胶法以及水解法等, 但其制备方法相对复杂, 操作困难, 制得的二氧化钛粉末多为无定形, 粒径大且容易团聚, 热稳定性也不高, 致使其光催化活性较低, 在实际应用中具有一定的局限性。均匀沉淀法制备过程中加入了分散剂, 使制得的二氧化钛粉末分散性较好, 防止了局部沉淀剂浓度过高造成颗粒团聚, 晶粒形成不完整。因此, 本实验采用均匀沉淀法制备二氧化钛粉末, 根据某一化学反应把溶液中存在的构晶离子从溶液中缓慢而且均匀的的释放出来。在反应过程中, 加入的沉淀剂不能立刻与沉淀组分反应, 而是通过化学反应在溶液体系中缓慢生成沉淀剂, 从而使溶液当中的沉淀剂的量控制在一定范围, 使沉淀粒子的生成速度得以控制, 同时加入适量的分散剂使粒子分布均匀[14-16]。实验以造价低廉的硫酸钛为钛源、尿素为沉淀剂、聚乙二醇为分散剂, 采用均匀沉淀法, 以简单的工艺合成粒径小、分散性较好的纳米二氧化钛粉末, 并研

[17]究了反应条件对沉淀时间的影响, 从而找出最佳的反应条件。

收稿日期:2011 03 09。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(21073123) ; 辽宁省教育厅科研项目(LT 2010097, LS2010153) ; 沈阳市科技局科研项目

(F10-205-1-11) 。

作者简介:毛媚(1985-) , 女, 辽宁盘锦人, 沈阳师范大学硕士研究生; 田鹏(1967-) , 男, 辽宁沈阳人, 沈阳师范大学教授, 博士,

422沈阳师范大学学报(自然科学版) 第29卷1 实验

1. 1 实验原理

二氧化钛粉末的制备过程可大致分为沉淀剂的生成过程和二氧化钛粉末的形成过程。首先是尿素在均匀受热的情况下分解生成氨水, 然后硫酸钛与氨水缓慢反应生成氢氧化钛, 进而生成了二氧化钛粉末。主要反应的机理为[2]:CO(NH 2) 2+H 2O NH 4OH +CO 2 ; 4NH 4OH +Ti(SO 4) 2 Ti(OH ) 4+2(NH 4) 2SO 4; Ti(OH) 4 TiO 2+2H 2O 。

1. 2 实验试剂与仪器

硫酸钛、聚乙二醇600为化学纯; 尿素、丙酮、正丁醇、无水乙醇、硫酸均为分析纯。恒温磁力搅拌器85-1型(中外合资深圳天南海北有限公司) 、SH Z-D( ) 型循环水式真空泵(巩义市予华仪器有限责任公司) 、WS70-1型红外线快速干燥器(南通科学仪器厂) 。

1. 3 实验方法及步骤

分别称取一定量的硫酸钛晶体及尿素颗粒溶于一定量的蒸馏水当中, 制成1mol/L 的硫酸钛溶液和2mol/L 的尿素溶液。取一定量的硫酸钛和聚乙二醇600混合, 水浴加热, 在磁力搅拌下混合均匀, 然后缓慢的滴加尿素溶液, 用硫酸调pH 值, 当尿素与混合液开始接触时开始计时并用强磁力搅拌直至沉淀完全。沉淀完全后停止加热, 冷却到室温后将悬浊液转入玻璃纱漏斗中用真空泵抽滤, 用蒸馏水洗涤数次。

2 结果与讨论

2. 1 尿素用量对沉淀形成时间的影响

在水浴加热343K 条件下, 保持聚乙二醇600的量不变, pH 值控制在1 5~2。尿素作为沉淀组分, 通过反应缓慢的生成沉淀剂, 防止直接加入沉淀剂, 使局部沉淀剂浓度过大, 造成沉淀团聚、分散不均匀。图1表明, 随着尿素和硫酸钛的摩尔比的增大, 沉淀形成时间变短, 也就是说当硫酸钛浓度一定时, 增大尿素的浓度会缩短反应时间。在反应体系当中尿素作为沉淀剂, 沉淀剂的量不足时, 会影响沉淀的生成, 进而影响沉淀时间, 产率降低。随着沉淀剂的量的增加, 反应速率加快, 沉淀时间也越来越短, 当硫酸钛和尿素的摩尔比为1 12时, 到达反应的化学计量点, 此时, 生成二氧化钛沉淀的时间最短, 产量最多。继续增大尿素的浓度, 沉淀量也不会增加。

图1 尿素和硫酸钛的摩尔比与沉淀时间的关系图2 聚乙二醇600和硫酸钛的摩尔比与沉淀时间的关系

2. 2 聚乙二醇600用量对沉淀时间的影响

在水浴加热343K 条件下, 保持硫酸钛和尿素的摩尔比1 12不变, pH 值控制在1 5~2, 图2为硫酸钛和聚乙二醇600的摩尔比与沉淀时间的关系图。微粒之间一般由范德华力和静电力作用而相互吸引, 在制备过程中二氧化钛微粒因其含有多个 OH 键 , 互相靠得很近, 易发生缩合反应, 失去一个分子H 2O 而使二氧化钛粉末团聚, 防止其团聚的关键是在二氧化钛粉末制备过程中减少 OH 键之间的相互靠近。实验在制备二氧化钛粉末的过程中选择聚乙二醇600作为分散剂, 它分散在二氧化钛微粒之间, 减少了二氧化钛微粒之间的相互靠近, 降低粒子团聚现象[19]。图2表明, 当分散剂的浓度过低时, 沉淀分散较差, 不利于沉淀的完全形成; 随着分散剂量的增加, 分散效果好, 利于沉淀的形成, 当聚[18]

第3期毛媚, 等:硫酸钛为钛源制备二氧化钛的实验条件研究423乙二醇600的量为6ml 时, 沉淀效果最佳; 继续增大分散剂的量时由于其自身的粘稠度非常高, 胶粒移动困难, 使其在反应体系中的溶解能力受到影响[20], 不利于二氧化钛粉末的形成。

2. 3 温度对沉淀时间的影响

保持硫酸钛、尿素和聚乙二醇600的摩尔比1 12 0 01不变, pH 值控制在1 5~2, 图3为水浴温

度与沉淀时间的关系图。

在整个反应体系当中首先发生的反应是CO

(NH 2) 2+H 2O NH 4OH +CO 2 , 在较低的温度

正反应速率较慢; 随着温度的升高, 正反应速率较

快, 但温度过高会使产生的氨水易分解, 不利于下

一步反应的进行。实验结果表明此反应适宜的反

应温度是343K 。整个反应体系在较低温度时生

成沉淀剂的量较少, 反应也较缓慢, 进而影响了二

氧化钛粒子的生成速度。图3表明, 温度对反应

时间的影响较大, 在低于303K 时很难生成二

氧化钛粒子; 随着温度的升高, 逐渐能生成沉淀,

所用的时间越来越短。当温度到达333K 时, 反

应时间的变化开始减小, 继续升高温度反应时间的变化也不明显。当温度升高到353K 时, 溶液开始逐渐变黄, 这可能是因为聚乙二醇600在温度过高时发生了化学反应, 生成了其他物质。因此此反应适宜的反应温度为343K 。

2. 4 二氧化钛的XRD 分析

图4为最佳条件下制得二氧化钛粉末的X

衍射图谱, 制备二氧化钛粉末的实验条件为水浴

加热343K, pH 在1 5~2 0, 硫酸钛、尿素和聚乙

二醇600的摩尔比1 12 0 01; 在WS70-1型红

外线快速干燥器中干燥, 经773K 煅烧1h, 用北

大青鸟自动X 射线衍射仪测试, 扫描角度范围2

在20 ~80 。实验结果表明在2 =25 3 附近出

现了较强的锐钛矿相的(101) 面衍射峰, 说明硫酸

钛与尿素发生了均匀沉淀, 制得了较好的锐钛矿

型二氧化钛粉体, 并且在较高温度下的热稳定性

好。将此XRD 图谱与标准X 射线衍射卡对比进

一步表明制得的粉体为锐钛矿型二氧化钛。此外, 通过观察峰尖及峰高, 说明形成了晶型较好的锐钛矿型二氧化钛。图4 二氧化钛的X 衍射图谱[21]图3 水浴温度与沉淀时间的关系

3 结论

以硫酸钛为钛源、尿素为沉淀剂、聚乙二醇600为分散剂, 采用均匀沉淀法制备二氧化钛粉末, 影响沉淀形成时间的主要因素有:尿素的用量及加入方法、聚乙二醇600的用量、水浴的温度等。实验结果表明, 以硫酸钛为钛源、尿素为沉淀剂、聚乙二醇600为分散剂, 采用均匀沉淀法制备二氧化钛粉末最佳反应条件为:在水浴加热343K 条件下, 将尿素缓慢滴加到硫酸钛和聚乙二醇600的混合液中, 硫酸钛和聚乙二醇600的混合液在磁力搅拌器搅拌时滴加尿素, 用硫酸调节pH 在1 5~2, 保持硫酸钛、尿素和聚乙二醇600的摩尔比1 12 0. 01。

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Experimental conditions of preparing titanium

dioxide with titanium sulfate as titaniu m source

M AO Mei , TIAN Peng , YU Long , Z H A O T ing ting , L Ye , W U Di

(1. College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China;

2. Experimental Center, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China) 112111

Abstract:T he exper iment of preparing titanium diox ide powder adopts the method of homo geneous precipitatio n, uses T itanium sulfate as the titanium source, U rea as precipitant, and Polyethylene glycol 600as dispersant. It mainly studied the main influence factors of formation time of precipitate:the amount of urea and the adding methods of urea, the amount of PEG and the w ater bath temperature and so o n. T he ex perimental results sho w that the optimum condition o f pr epar ing t he titanium diox ide po wder were:titanium sulfate as titanium source, urea as precipitant, polyethylene glycol 600as dispersant by homogeneous precipitation in the w ater bath of 343K , slow ly dropping the urea into the mix ture of the titanium sulfate and polyethylene glycol 600with the mag netic stirrer stirr ing , pH adjusted w ith sulfuric acid between 1. 5~2, and keeping the sulfate, ur ea and polyethylene g lycol 600in the molar ratio of 1 12 0. 01.

Key words:titanium sulfate; T itanium diox ide; homogeneous precipitation; settling time