金红石型TiO2和TiO2-SnO2固溶体材料是工业生产和日常生活中应用非常广泛的半导体材料，广泛应用于建筑材料、精细化工、气体传感、水污染处理与废气治理等领域。但是目前这两种材料主要通过高温固相合成制备，高温烧结过程导致粒子严重团聚，粒径变大，比表面积减小，对其光催化、气敏或是其他性能有不利影响。因此研究发展新的合成路径来降低烧结温度或者避免烧结过程，直接得到纳米金红石相TiO2、 TiO2-SnO2固溶体材料，具有重要的理论意义和应用价值。
本论文把传统的溶胶-凝胶法、水热合成法以及晶型诱导生长法有机结合，把通过溶胶-凝胶法得到的前驱体溶胶直接进行水热处理，发展了一种无需经过高温烧结直接制备得到纳米金红石型TiO2的制备方法。该方法相对于一般晶型诱导法有效减少了晶型诱导剂的用量，从而降低了所得产物中Sn4+的掺杂量，提高了产品的纯度。同时，采用本方法，调节Sn4+的掺杂量还可以无需高温烧结直接合成一系列不同组分的TiO2-SnO2纳米固溶体材料。由于避免了高温烧结过程，因此所得产物的颗粒细小均匀，比表面积大，其微观结构性能等均有所改善。此外，本论文还对酸催化剂种类以及晶型诱导剂用量等对金红石相TiO2纳米晶制备反应过程的影响进行了探讨。
所得反应产物的物相结构和微观结构性能分别利用XRD，TEM，BET等手段进行分析表征。
本论文主要研究结论如下:
(1)本论文综合溶胶-凝胶法、水热合成法以及晶型诱导生长法各自的优点，以钛酸四丁酯为钛源，SnCl4·5H2O为晶型诱导剂，在柠檬酸和乙二醇的辅助下形成透明澄清的稳定溶胶，然后在水热条件下直接得到了金红石相TiO2纳米晶颗粒。通过溶胶-凝胶法处理得到溶胶前驱体可以使反应物中的Ti(Ⅳ)和晶型诱导剂中的Sn(Ⅳ)在分子水平上均匀混合，水热处理则保证所制得的产物颗粒细小、晶粒发育完整，同时避免了高温烧结过程容易导致的颗粒团聚。所得产物经XRD分析为金红石型TiO2，TEM照片显示颗粒细小，分散性良好，粒径分布均匀，平均粒径在8nm左右。
(2)晶型诱导剂的用量和酸催化剂自身的氧化还原性能对反应过程有重要的影响作用。增加晶型诱导剂的用量有利于金红石相TiO2的生成，本论文试验研究中添加晶型诱导剂Sn4+含量至15％后，通过水热处理直接得到了金红石型TiO2纳米粒子。酸性环境对金红石相的形成有促进作用，但酸催化剂本身的氧化还原性能也对制备过程有很大影响。本论文通过大量对比实验研究发现相同实验条件下，氧化性酸催化剂硝酸、硫酸的存在使样品中金红石相二氧化钛的衍射峰更加明显，而还原性酸催化剂盐酸的存在则会抑制了金红石相二氧化钛的生成，且盐酸加入量越多越难以生成金红石相。
(3)在结论(1)的基础上，通过增加反应原料中SnCl4·5H2O的用量，将本论文发展的合成方法延伸应用于金红石相TiO2-SnO2固溶体材料的制备，可不需经过高温烧结直接合成Sn4+摩尔含量大于15％的任意Ti4+/Sn4+摩尔比的金红石相TiO2-SnO2固溶体纳米材料。采用本方法所得固溶体产物物相纯净，平均粒径约为10nm，粒度分布均匀，比表面积大。
- 作 者：
- 吴爱青
- 学科专业：
- 材料物理与化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 中国科学技术大学
- 导师姓名：
- 高理升
- 学位年度：
- 2013
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
