微波水热法制备纳米二氧化钛.doc

微波水热法制备纳米二氧化钛 1 .微波加热特性及作用机理微波加热是物质在电磁场中由介质损耗引起的体积加热,在高频变换的微波能量场作用下, 分子运动由原来杂乱无章的状态变成有序的高频振动, 从而使分子动能转变成热能, 其能量通过空间或媒介以电磁波的形式传递, 可实现分子水平上的搅拌, 达到均匀加热, 因此微波加热又称为无温度梯度的“体加热”。在一定微波场中,物质吸收微波的能力与其介电性能和电磁特性有关。对于介电常数较大、有强介电损失能力的极性分子, 与微波有较强的藕合作用, 可将微波辐射转化为热量分散于物质中, 因此在相同微波条件下, 不同的介质组成表现出不同的温度效应,该特征可适用于对混合物料中的各组分进行选择性加热。微波加热有致热与非致热两种效应。微波是频率介于 300MHz- 300GHz 之间的超高频振荡电磁波, 其相应波长 100cm-lnm , 能够整体穿透有机物碳键结构, 使能量迅速传达至反应物的各个功能团上。由于极性分子内电荷分布不平衡, 可通过分子偶极作用在微波场中迅速吸收电磁能量,以每秒数十亿次高速旋转产生热效应,这就是微波的“致热效应”。一些学者认为, 微波辐射除了存在“致热效应”外, 还存在着直接作用于反应分子而引起的特殊的“非致热效应’,由于微波频率与分子转动频率相近,微波被极性分子吸收时,可与分子平动能发生自由交换, 降低反应活化能, 加快合成速度、提高平衡转化率、减少副产物、改变立体选择性等效应,从而促进了反应进程,即所谓的“特殊效应”或“非致热效应”。针对制备 TiO2 纳米材料, 从晶体形成的动力学机理可知, 形成纳米尺寸晶粒的条件首先必须满足晶体的成核速度大于晶体的生长速度。微波辐射在纳米晶体形成过程中所起的作用为: 当辐射波照射到被加热的物体时, 引起 C-C, C-H 以及 O-H 键的振动, 物体由内部产生热量,因而有极快的加热速度和极小的热惯性。当微波辐射到含有 Ti 4+ 离子的水溶液时, 水分子中的 O-H 键产生振动,瞬间释放出大量的热,一方面使 Ti 4+ 离子迅速水解生成水合 TiO2 分子, 局部成为过饱和溶液; 另一方面过饱和溶液由于短时间的急剧升温, 产生了大量的晶核,从而保证了水合 TiO2 晶体的纳米尺度,进而为形成纳米颗粒提供了必要条件。 2. 微波在合成纳米 TiO 2 材料中的应用 微波水解法微波水解法是在微波场的作用下, 强迫金属钛盐水解, 产生均匀分散的金属氧化物或水合氧化物. 经过滤、洗涤、加热分解即可得到金属氧化物纳米粉末。与常规加热方法相比, 微波水解法具有穿透性好、效率高等优点,曾广泛地用于陶瓷粉末和亚微细粒的制备。钛盐水解获得 TiO2 的反应是一个吸热反应, 传统的加热方式热传导时间长, 反应初始速度慢,晶核不能瞬间形成,且易多次成核,粒子易长大; 同时由于温度梯度的存在,体系内不同区域粒子生长速度不一, 从而影响粒子尺寸的均匀性。而在微波加热条件下, 溶液可在很短时间内迅速、均匀地升温, 晶核能够在瞬间萌发, 反应没有诱导期, 很少出现多次成核,故制备出来的粒子粒径小且分布均匀。以 Ti(SO4) 2 为原料,在 Ti(SO4) 2 的水解反应中引人微波加热技术,将微波加热水解反应水解产物过滤、洗涤、干燥、锻烧后得到锐铁矿晶型 TiO 2 。研究发现 TiO