【引言】

納米材料的出現對化學、電子、生物技術等多個科學技術領域產生了重大影響。納米材料在光學、電學、磁性、催化、生物或機械等領域的廣泛應用源于其獨特的、可調諧的納米結構，使其合成成為最有前景和挑戰(zhàn)性的研究和發(fā)展領域之一。納米粒子/納米材料具有新穎的物理、化學和機械性能，可作為解決能源、環(huán)境、健康、通信和相關領域問題的創(chuàng)新解決方案的主要組成部分。納米材料的功能依賴于表面積與體積比，因為與周圍介質的相互作用很大程度上取決于表面面積的大小和材料表面的性質。納米二氧化鈦因其在陶瓷、氫和一氧化碳氣體傳感器、催化和光催化應用（包括醫(yī)藥、環(huán)境清潔、消毒、水制氫、人工光合作用、太陽能電池薄膜應用以及自清潔/抗菌/親水性表面）等方面的潛力和應用而受到廣泛關注。

【成果介紹】

?zlem ?a?lar Duvarci等人在不使用任何模板或化學品的情況下，通過超聲波處理乙醇-水混合物，水解異丙醇鈦合成納米介孔二氧化鈦粉末晶體。將異丙醇-鈦混合物滴加到置于超聲波浴中的水-乙醇混合物中。將超聲化學合成的粉末與采用德固賽P-25二氧化鈦粉末制備的未經過超聲處理的粉末的性能進行了比較。測定了相結構、晶粒尺寸、比表面積、粒度、粉末密度，并對燒結行為進行了分析。在25 °C條件下，以銳鈦礦和板鈦礦相的混合物為原料，采用超聲波誘導水解法制備了納米二氧化鈦粉末（TiO₂-U）。在70 °C條件下檢測了未經超聲處理制備的納米二氧化鈦粉末（TiO₂-NoU）中的板鈦礦相。兩種粉末的銳鈦礦-金紅石相轉變均在500-700 °C范圍內完成。在25 °C下，TiO₂-NoU和TiO₂-U的平均晶粒尺寸分別為10 nm和5 nm。當煅燒溫度從200 °C提高到500 °C時，TiO₂-NoU的表面積從238減小到106 m²/g, TiO₂-U的表面積從287減小到82 m²/g。采用LINSEIS的熱膨脹儀L76測定了粉末在210兆帕的等靜壓下壓實的致密化行為，升溫速率為5 °C /min或10 °C /min，最高可達1200 °C。氮氣的吸附-解吸行為隨煅燒溫度的變化以及相應的孔徑分布/體積的變化，與粉末合成和煅燒過程中緊密堆積的亞微米團聚體的形成有關。結果表明燒結行為受7-10 nm微晶和亞微米團聚體的控制。用不同方法和不同濃度摻雜劑制備的二氧化鈦粉末的致密化行為的測定，對于更好地理解相/孔結構的演化是非常有用的，而相/孔結構的演化對許多應用都是至關重要的。

【圖文導讀】

圖1 超聲輻照法制備納米二氧化鈦工藝流程

圖2 425 °C熱處理的納米二氧化鈦（TiO₂-U）（□）和德固賽P-25（?）的pH值與ζ電位變化的關系

圖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下熱處理的XRD圖譜

圖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下熱處理的XRD圖譜

圖5 （a）TiO₂-NoU和（b）TiO₂-U粉末中各晶相質量分數隨溫度的變化

圖6溫度對（a）TiO₂-NoU和（b）TiO₂-U粉末平均晶粒尺寸（ACS）和表面等效粒徑（SAEPS）的影響

圖7 TiO₂-NoU二氧化鈦粉末在200 °C（□）、300 °C（?）、400 °C（Δ）和500 °C（×）加熱的（a）N₂吸附等溫線和（b）BJH解吸的孔隙大小分布

圖8 TiO₂-U二氧化鈦粉末在200 °C（□）、300 °C（?）、400 °C（Δ）和500 °C（×）加熱的（a）N₂吸附等溫線和（b）BJH解吸的孔隙大小分布

圖9德固賽P-25（□）的（a）N₂吸附等溫線和（b）BJH解吸的孔隙大小分布

圖10 (a) TiO2-NoU和(b) TiO2-U粉末的BET表面積的變化（□）和基于BJH解吸的孔隙大?。?）與溫度的關系

圖11 TiO₂-U中納米二氧化鈦密度的變化（?）和金紅石質量分數（□）與溫度的關系

圖12 （a）德固賽P-25、TiO₂-NoU和TiO₂-U在N₂氣氛下的TGA曲線，（b） TiO₂-NoU和TiO₂-U粉末在25℃干燥后的FTIR曲線

圖13 DLS測量的（a）TiO₂-U作為析出物、（b）TiO₂-U-425、（c）德固賽P-25的粒徑分布

圖14 德固賽P-25、TiO₂-NoU和TiO₂-U在升溫速率（a）5 °C/min和（b）10 °C/min時的收縮曲線

圖15 德固賽P-25、TiO₂-NoU和TiO₂-U在升溫速率（a）5 °C/min和（b）10 °C/min時收縮曲線的一階導數

【結論】

在室溫下經超聲或未超聲輻照水解異丙醇鈦制備了納米二氧化鈦粉末晶體。超聲輻照在水解過程中的應用有利于板鈦礦相的形成，晶粒更小，比表面積/孔體積更大，孔徑分布更窄。在500 °C熱處理后得到純銳鈦礦相。TiO₂-NoU和TiO₂-U粉末銳鈦礦轉化金紅石相的過程均在500-550 °C范圍內開始，在800 °C條件下完成。TiO₂-NoU和TiO₂-U粉末呈介孔結構，具有較高的吸附能力。另一方面，工業(yè)德固賽P-25粉末具有大孔結構。熱處理使孔隙尺寸分布變寬，孔隙體積減小，這可能與小孔隙的坍塌和大晶粒的形成有關，從而使孔隙結構變粗。FTIR分析證實了Ti(OH)₄的存在，TGA分析檢測了其在加熱至200 °C時向TiO₂的轉化。TiO₂-NoU粉末的總失重率比TiO₂-U粉末高約5 wt.%。DLS粒度分析顯示TiO₂-U-425粉末中存在25 nm和109 nm顆粒(分別約為97.8%和2.2%)。納米二氧化鈦的膨脹收縮曲線表現為兩級燒結行為，前者在500-850 °C范圍內由微晶（7–10 nm）控制，后者由亞微米范圍的團聚體控制。利用收縮曲線的一階導數分析了粉末燒結過程中粉末的相結構演化，為鈦納米材料的表征提供了依據。