納米二氧化鈦范文

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篇1

關(guān)鍵詞：納米二氧化鈦，氣相法，液相法，光催化

 

納米二氧化鈦（TiO2）具有許多特殊性能，比如表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道四大效應(yīng)[1]，從而使其與普通二氧化鈦相比具有許多特殊性能。

納米二氧化鈦是無機納米半導(dǎo)體材料TiO2中極其重要的一種納米材料，是一種穩(wěn)定的無毒紫外光吸收劑[2]，納米TiO2還具有很好的光催化作用[3]，在光照條件下能夠降解有機污染物、殺死細(xì)菌。納米二氧化鈦在水處理、催化劑載體、紫外線吸收劑、光敏性催化劑、防曬護膚化妝品、光電子器件等領(lǐng)域具有廣泛的用途。目前納米二氧化鈦的制備方法主要分為液相法和氣相法，本文對其制備方法及其應(yīng)用發(fā)展進行了總結(jié)。

1 制備方法

1.1 氣相法

氣相法是直接利用氣體，或者通過各種手段將物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或者化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米粒子的方法。

1.1.1 四氯化鈦氣相氧化法 此法多是以四氯化鈦為原料，以氮氣為載氣，以氧氣為氧源，在高溫條件下四氯化鈦和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成納米二氧化鈦。該工藝的優(yōu)點是自動化程度高，可以制備出優(yōu)質(zhì)的二氧化鈦粉體；缺點是二氧化鈦粒子遇冷結(jié)疤的問題較難解決，對設(shè)備要求高，技術(shù)難度大，在生產(chǎn)過程中排出有害氣體Cl2，對環(huán)境污染嚴(yán)重。

1.1.2 四氯化鈦氫氧火焰法 以TiCl4為原料，將TiCl4氣體導(dǎo)入高溫的氫氧火焰中700～1000℃，進行高溫氣相水解備納米二氧化鈦。四氯化鈦氫氧火焰法制得的納米二氧化鈦粒子晶型為銳鈦礦和金紅石的混合型，該工藝優(yōu)點是產(chǎn)品純度高達(dá)99.5%，粒徑小、比表面積大、分散性好、團聚程度小，可用作電子化工材料，制備工藝成熟，生產(chǎn)過程較短，自動化程度高；缺點是反應(yīng)過程溫度較高，生成HCl使設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，對材質(zhì)要求高，需要精確控制工藝參數(shù)。

1.2 液相法

當(dāng)今制備納米粒子液相法居多，納米二氧化鈦的制備方法也是如此。主要有溶膠-凝膠法、水熱法、沉淀法等。

1.2.1 溶膠—凝膠法 溶膠—凝膠法(簡稱S—G法)，又名膠體化學(xué)法，是被廣泛采用的一種制備納米二氧化鈦的方法。其原理是以鈦醇鹽或鈦的無機鹽為原料，經(jīng)水解和縮聚得溶膠，再進一步縮聚得凝膠，凝膠經(jīng)干燥、煅燒得到納米二氧化鈦粒子。論文參考，液相法。與其它方法相比制品的均勻度高，尤其是多組分的制品，其均勻度可達(dá)分子或原子尺度；制品的純度高，而且溶劑在處理過程中容易除去；反應(yīng)易控制，副反應(yīng)少；煅燒溫度低，工藝操作簡單。

1.2.2 水熱法 水熱反應(yīng)過程是指在一定的溫度和壓力下，在水、水溶液或蒸汽等流體中所進行有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的總稱。該法的原理是在高壓、水熱條件下加速離子反應(yīng)和促進水解反應(yīng)。論文參考，液相法。一些在常溫下反應(yīng)速度很慢的熱力學(xué)反應(yīng)，在水熱條件下可以實現(xiàn)反應(yīng)快速轉(zhuǎn)化。

2 納米TiO2催化性能的應(yīng)用

2.1 殺菌功能

抗菌是指TiO2在光照下對環(huán)境中微生物的抑制或殺滅作用。TiO2光催化劑對綠膿桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等具有很強的殺菌能力。在紫外線作用下，以0.1mg/cm3濃度的超細(xì)TiO2可徹底地殺死惡性海拉細(xì)胞，而且隨著超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化殺死癌細(xì)胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度處理自來水，可大大減少水中的細(xì)菌數(shù)，飲用后無致突變作用，達(dá)到安全飲用水的標(biāo)準(zhǔn)[5]；當(dāng)細(xì)菌吸附于由納米二氧化鈦涂敷的光催化陶瓷表面時，TiO2被紫外光激發(fā)后產(chǎn)生的活性超氧離子自由基(·O-)和羥基自由基(·OH-)能穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁,破壞細(xì)胞膜質(zhì)，進入菌體，阻止成膜物質(zhì)的傳輸，阻斷其呼吸系統(tǒng)和電子傳輸系統(tǒng)，從而有效地殺滅細(xì)菌，并抑制細(xì)菌分解有機物產(chǎn)生臭味物質(zhì)如H2S、SO2、硫醇等[4]；在涂料中添加納米TiO2可以制造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料，可應(yīng)用于醫(yī)院病房、手術(shù)室及家庭衛(wèi)生間等細(xì)菌密集、易繁殖的場所，可有效殺死大腸桿菌、黃色葡萄糖菌等有害細(xì)菌，防止感染。論文參考，液相法。論文參考，液相法。

2.2 防紫外線功能

納米TiO2既能吸收紫外線，又能反射、散射紫外線，還能透過可見光，是性能優(yōu)越、極有發(fā)展前途的物理屏蔽型的紫外線防護劑。與同樣劑量的一些有機紫外線防護劑相比，納米TiO2在紫外區(qū)的吸收峰更高，更可貴的是它還是廣譜屏蔽劑，不象有機紫外線防護劑那樣只單一對UVA或UVB有吸收[6]。它還能透過可見光，加入到化妝品使用時皮膚白度自然，不象顏料級TiO2，不能透過可見光，造成使用者臉上出現(xiàn)不自然的蒼白顏色。論文參考，液相法。利用納米TiO2的透明性和紫外線吸收能力還可用作食品包裝膜、油墨、涂料和塑料填充劑，可以替代有機紫外線吸收劑，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。論文參考，液相法。

2.3 防霧及自清潔涂層

TiO2薄膜在光照下具有超親水性和超永久性[7]，因此其具有防霧功能，如在汽車后視鏡上涂覆一層氧化鈦薄膜，即使空氣中的水分或者水蒸氣凝結(jié)，冷凝水也不會形成單個水滴，而是形成水膜均勻地鋪展在表面，所以表面不會發(fā)生光散射的霧。當(dāng)有雨水沖過，在表面附著的雨水也會迅速擴散成為均勻的水膜，這樣就不會形成分散視線的水滴,使得后視鏡表面保持原有的光亮，提高行車的安全性。如果把高層建筑的窗玻璃、陶瓷等這些建材表面涂覆一層氧化鈦薄膜，利用氧化鈦的光催化反應(yīng)就可以把吸附在氧化鈦表面的有機污染物分解為CO2和O2，同剩余的無機物一起可被雨水沖刷干凈，從而實現(xiàn)自清潔功能[8]。

參考文獻：

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[8]陳鋒,朱依萍,張金龍.TiO2復(fù)合納米材料的合成和表征[M].物理化學(xué)學(xué)報,2004,20(11):93-98.

篇2

20世紀(jì)80年代以前，納米TiO2的研究開發(fā)目的主要是作為精細(xì)陶瓷原料、催化劑、傳感器等，需求量不大，沒有形成大的生產(chǎn)規(guī)模。80年代以后，開發(fā)的納米TiO2用作透明效應(yīng)和紫外線屏蔽劑，為納米TiO2打開了市場，使納米TiO2的生產(chǎn)和需求大大增加，成為鈦白工業(yè)和涂料工業(yè)的一個新的增長點。

由于納米TiO2在催化及環(huán)境保護等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，并可用于日用產(chǎn)品、涂料、電子、電力等工業(yè)部門，因此，納米TiO2展現(xiàn)出巨大的市場前景。日本、美國、英國、德國和意大利等國對納米TiO2進行了深入的研究，并已實現(xiàn)納米TiO2的工業(yè)化生產(chǎn)。目前全世界已經(jīng)有十幾家公司生產(chǎn)納米TiO2，總生產(chǎn)能力估計在(6000～10000)t/a，單線生產(chǎn)能力一般為(400～500)t/a。

根據(jù)莎哈里本公司統(tǒng)計，2003年全球納米TiO2銷售量僅為1800t左右，其消費量與產(chǎn)品應(yīng)用見表1。

近幾年，有關(guān)納米TiO2的新建裝置已很少報道，主要是已建成裝置的生產(chǎn)能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出市場的實際消費量，多數(shù)廠家處于開工不足或停產(chǎn)的狀態(tài)。主要原因是目前國際上公認(rèn)的納米TiO2制備和應(yīng)用技術(shù)還有待于提高，技術(shù)要點和難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①國際上納米TiO2的價格為(30～40)萬元/t，其成本大致是銷售價格的2/5，原料和工藝路線的選擇是降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素；②納米TiO2的晶型和粒度控制技術(shù)；③金紅石型納米TiO2的表面處理技術(shù)；④納米TiO2應(yīng)用分散技術(shù)；⑤納米TiO2應(yīng)用功能的提升技術(shù)：⑥納米TiO2產(chǎn)業(yè)化成套技術(shù)。由于以上條件的制約，使得納米TiO2的應(yīng)用和發(fā)展受到限制。

我國納米TiO2的現(xiàn)狀

在國外普遍開展了納米TiO2的制備和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，并取得了階段性成果，我國納米TiO2的研究在“九五”期間形成了，據(jù)了解，進行納米粉體制備技術(shù)研究的科學(xué)院所和高校幾乎都在進行和進行過納米TiO2的研究。重慶大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系是國內(nèi)最早(1989年)研究納米TiO2的單位，華東理工大學(xué)、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所是目前研究技術(shù)較全面、報道最多的單位。國內(nèi)主要研究單位與制備方法見表2。

目前，國內(nèi)涉足納米TiO2生產(chǎn)的公司約有十家，總生產(chǎn)能力在1000多噸。四川攀枝花鋼鐵(集團)公司鋼鐵研究院年產(chǎn)200t生產(chǎn)裝置是我國技術(shù)裝備較先進、品種最為齊全的裝置，可以生產(chǎn)金紅石型和銳鈦型兩大系列各有4個(10～40)nm的粉體品種；由淮北蘆嶺煤礦和騰嶺工貿(mào)有限公司共同組建的安徽科納新材料有限公司年產(chǎn)100t生產(chǎn)基地在宿州市建成；江蘇河海納米科技股份有限公司投資5000萬元，已經(jīng)建成年產(chǎn)500t的規(guī)模；青島科技大學(xué)納米材料重點實驗室與海爾集團聯(lián)合開發(fā)的首條具有百噸生產(chǎn)能力的生產(chǎn)線已經(jīng)建成并一次試車成功；濟南裕興化工總廠擁有先進的納米TiO2生產(chǎn)線(已通過省級鑒定)，具備年產(chǎn)100t生產(chǎn)能力，可提供納米銳鈦型、金紅石型的粉體和漿料共4個品種、多種規(guī)格的產(chǎn)品；此外，四川永祿科技有限公司、浙江舟山明日納米有限公司、江蘇五菱常泰納米材料有限公司、河北茂源化工有限公司納米TiO2裝置也已建成。納米TiO2的發(fā)展

1）納米TiO2生產(chǎn)的特點

縱觀國外納米TiO2的生產(chǎn)，存在著以下特點：生產(chǎn)原料主要為四氯化鈦、硫酸氧鈦，生產(chǎn)方法主要有氣相法和液相法。氣相法主要有以四氯化鈦為原料的氫氧火焰水解法，而液相法主要是以四氯化鈦和硫酸氧鈦為原料的化學(xué)沉淀法，且多數(shù)生產(chǎn)廠家為鈦白粉生產(chǎn)廠，充分利用了原有氯化法和硫酸法生產(chǎn)裝置的中間產(chǎn)物、生產(chǎn)技術(shù)、公用工程和生產(chǎn)管理方面的經(jīng)驗。

我國納米TiO2的研究和生產(chǎn)具有以下幾個特點：①對納米TiO2的研究多、面廣，力量分散，低水平的重復(fù)性研究現(xiàn)象嚴(yán)重，企業(yè)介入的力度不夠；②重點進行了納米TiO2制備技術(shù)的開發(fā)，對納米TiO2的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)力度較小，尤其是有關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)沒有突破性進展；③工程開發(fā)能力薄弱，因納米TiO2項目一般投資較小，一些大型的工程公司(設(shè)計院)對工程化的興趣不大，不愿投入人力物力進行工程開發(fā)，④生產(chǎn)規(guī)模小、基本采用濕法工藝，土法上馬，產(chǎn)品質(zhì)量差，現(xiàn)有市場空間較小，沒有給企業(yè)帶來想象中的高利潤。目前，我國納米TiO2的市場價格大致為(7～42)萬元/t，因為晶型、質(zhì)量和產(chǎn)地不同價格差距較大，國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品價格為(7～24)萬元/t。

2）我國納米TiO2生產(chǎn)的發(fā)展建議

生產(chǎn)工藝的比較

氣相法反應(yīng)速度快，能實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，而且制備的納米TiO2純度高、分散性好、團聚少、比表面活性大，產(chǎn)品特別適合于精細(xì)陶瓷材料、催化劑材料和電子材料。但氣相法反應(yīng)在高溫下瞬間完成，要求反應(yīng)物料在較短的時間內(nèi)達(dá)到微觀上的均勻混合，對反應(yīng)器的形式、設(shè)備的材質(zhì)、加熱方式、進料方式均有很高的要求。目前氣相法在我國處于小試階段，欲達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)，還要解決一系列工程問題和設(shè)備材質(zhì)問題。

與氣相法相比，液相法生產(chǎn)的原料成本低了一個數(shù)量級。而且具有原料無毒、無危險性、常溫液相反應(yīng)、工藝過程簡單易控制、易擴大到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)、三廢污染少、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。因此；液相法中硫酸氧鈦和四氯化鈦液相中的化學(xué)沉淀法最具工業(yè)化發(fā)展?jié)摿Α?/p>

原料生產(chǎn)路線

我國鈦白工業(yè)近十年來發(fā)生了很大的變化，取得了令人矚目的成就，其硫酸法鈦白的生產(chǎn)已與國外先進技術(shù)差距不多，總生產(chǎn)能力已躍居世界第二位，僅次于美國。

根據(jù)納米TiO2的生產(chǎn)特點，結(jié)合國內(nèi)鈦白生產(chǎn)的具體情況，我們提出了以硫酸法生產(chǎn)的中間產(chǎn)物硫酸氧鈦為原料的生產(chǎn)路線，充分利用我國在硫酸法鈦白工業(yè)生產(chǎn)中所取得的技術(shù)，以及工程化方面的經(jīng)驗，發(fā)展我國的納米TiO2工業(yè)。

生產(chǎn)規(guī)模的確定

目前，國內(nèi)納米TiO2的需求量一種觀點認(rèn)為應(yīng)在1萬t左右，一種觀點認(rèn)為在1000t以下，我們認(rèn)為在目前的情況下，后一種觀點可能更符合國內(nèi)的現(xiàn)實。目前國內(nèi)納米TiO2的生產(chǎn)能力已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)有市場的需求，但隨著我國納米產(chǎn)品的普及程度和人們消費觀念的改變以及我國整體經(jīng)濟呈現(xiàn)穩(wěn)步發(fā)展的態(tài)勢，納米TiO2必將迎來廣闊的市場發(fā)展空間。因此，新上項目應(yīng)在(400～500)t/a的生產(chǎn)規(guī)模，同時最好建在鈦白生產(chǎn)廠內(nèi)。

生產(chǎn)方法的選擇

化學(xué)沉淀法一般分為均勻沉淀法、直接沉淀法和共沉淀法三種。其中均勻沉淀法具有工藝簡單、產(chǎn)品質(zhì)量好、易于操作等特點，是最具工業(yè)化發(fā)展前景的一種制備方法。均勻沉淀法是利用某一化學(xué)反應(yīng)使溶液中的構(gòu)晶離子由溶液中緩慢、均勻地釋放出來。該方法中，加入溶液的沉淀劑不立刻與沉淀組分發(fā)生反應(yīng)，而是通過化學(xué)反應(yīng)使沉淀劑在整個溶液中緩慢生成，使之通過溶液中的化學(xué)反應(yīng)緩慢生成沉淀劑，只要控制好生成沉淀劑的速度，就可避免濃度不均勻現(xiàn)象，使過飽和度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，從而控制粒子的生長速度，獲得粒度均勻、致密、便于洗滌、純度高的納米粒子，常用的均勻沉淀劑為尿素等。以硫酸氧鈦為前驅(qū)物，以尿素為沉淀劑制備納米二氧化鈦的反應(yīng)原理為：尿素水溶液在70℃左右開始水解，其反應(yīng)式為：CO(NH2)2+3H2O=2NH3·H2O+CO2

由于尿素的分解速度受加熱溫度和尿素濃度的控制，因此可以使尿素分解速度降得很低，從而可得粒徑分布均勻和粒徑小的納米TiO2。尿素的分解產(chǎn)物CO2和NH3，在反應(yīng)或煅燒后均為氣體，易揮發(fā)，不會對產(chǎn)品的純度和質(zhì)量造成影響。生成沉淀劑NH3·H2O在TiOSO4溶液中分布均勻、濃度低，使得沉淀物TiO(OH)2均勻生成：

TiOSO4+2NH3·H2O=TiO(OH)2+(NH4)2SO4

TiO(OH)2煅燒得到TiO2：

TiO(OH)2=TiO2+H2O

存在的問題

篇3

【摘要】 目的 探討經(jīng)鈦酸正丁酯（TTB）表面改性的納米二氧化鈦（TiO2）對義齒基托樹脂機械性能的影響。 方法 用TTB對納米TiO2進行表面處理，采用X射線衍射、紅外光譜對其進行表征。透射電鏡觀察納米TiO2在MMA懸浮液中的分散情況，并考察義齒基托材料的彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度的變化。 結(jié)果 TTB表面處理改善了納米TiO2的分散性能，添加比為2％時復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最好，其彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度分別為（86.274±5.053）MPa、（1.916±0.190）GPa和（4.009±0.279）J/cm2。 結(jié)論 表面處理的納米TiO2能提高義齒基托樹脂的機械性能。

【關(guān)鍵詞】 氧化物； 鈦； 納米技術(shù)； 甲基丙烯酸甲酯類； 義齒基托

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 是口腔修復(fù)中常用的基托材料，具有良好的機械性能和加工性能，但PMMA也存在韌性不足、硬度較低、易黏附細(xì)菌和真菌、戴義齒后齲齒及牙周炎發(fā)病率升高的缺點[1]。納米二氧化鈦（TiO2）是具有長效抗菌、防霉、表面超親水效應(yīng)、紅外線反射等多種功能，其作為無機填料增強增韌高分子聚合物是制備具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料的重要方法[23]。利用納米TiO2的抗菌性能在口腔復(fù)合材料中的應(yīng)用很廣泛。張學(xué)鵬等認(rèn)為，戴用含納米TiO2基托功能矯治器的兒童的齲病活躍性明顯降低[4]。王瀟婕等認(rèn)為，添加TiO2抗菌劑的基托樹脂在體外表現(xiàn)出一定的抗變形鏈球菌和白色念珠菌的效果[5]。本實驗將經(jīng)鈦酸正丁酯（TTB）表面處理的納米TiO2抗菌劑添加到基托樹脂的牙托水中制成懸浮液，考察其分散性和復(fù)合材料的機械性能，為具有抗菌性能復(fù)合材料的臨床應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 試劑與儀器 納米TiO2粉末（晶形為銳鈦礦和金紅石混合型，杭州萬景新材料有限公司）；TTB（南京曙光化工廠）；PMMA粉和液（天津登士柏牙科有限公司）；傅立葉紅外光譜儀(MX1E，美國Nicolet公司)；X射線光譜儀(X'Pert MPD，荷蘭Philips公司)；透射電鏡（Tecnai G2 F20 STwin，日本FEI公司）；電子式萬能試驗機(Instron1342型，英國Instron有限公司)；數(shù)控超聲波清洗器（KQ2200DE型，浙江昆山超聲波儀器有限公司）。

1.1.2 納米TiO2的表面處理 將5 g的納米TiO2粉末分散于100 mL的去離子水中，滴加5 mL的TTB，超聲分散60 min后抽濾，粉體烘干研細(xì)，得到表面處理納米TiO2的粉末[6]。

1.1.3 試件制備 按照0.5%，1%，2%，3%的比例將經(jīng)過表面處理的納米TiO2添加到樹脂基托液中超聲分散30 min制成懸浮液。按照廠家建議的粉液比（23 g∶10 mL）及加熱方法進行熱處理。制成規(guī)格為(50±2)mm×(10±2)mm×(1.5±0.5)mm的樹脂基托試件，每組5個，常規(guī)打磨拋光，最后用600目水砂紙打磨后備用。將試件保存于37 ℃生理鹽水中，24 h后測試[7]。按添加比例的不同分為0.5%，1%，2%，3%的實驗組，未添加納米TiO2者為對照組。

1.2 方法

1.2.1 X射線衍射分析 分別將表面處理前后的納米TiO2粉末進行X射線衍射分析：λ為0.154 178 nm；連續(xù)掃描，速度為3°/min，步長為0.02°。

1.2.2 紅外線衍射光譜分析 采用KBr壓片法進行紅外光譜分析（測試分辨率為2 cm-1，掃描范圍400～4 000 cm-1，連續(xù)掃描32次）。

1.2.3 透射電鏡觀察 將含有納米TiO2的懸浮液超聲分散30 min，以碳膜為支持膜，加速電壓為80 kV，觀察納米TiO2粒子的形態(tài)。

1.2.4 彎曲模量、彎曲強度和沖擊強度測定

1.2.4.1 彎曲強度、彎曲模量測試 在萬能材料試驗機上進行三點彎曲加載。加載時兩支點直徑2.0 mm、間距20 mm、直徑1 mm的柱形壓頭于試件上方的中點處施加與試件表面垂直的力（加載速度1.0 mm/min）至試件斷裂，記錄應(yīng)力/應(yīng)變曲線和最大載荷值。每組5個試樣，取平均值。計算彎曲強度：

δ=3FmL0/2WB2

Fm為最大加荷值（N），L0為下加荷臺兩加荷點間距離（mm）、W為試樣高度（mm）、B為試樣寬度（mm）。

計算彎曲模量：

E=FL3/4CD3Y

F為載荷（N），L為跨度（mm），C為寬度（mm），D為厚度（mm），Y為撓度(°)。

1.2.4.2 沖擊強度測試 試件置于萬能材料試驗機上進行沖擊強度測試。壓頭直徑為(0.25±0.01)mm，加載速度為0.71×103 mm/min，記錄應(yīng)力/應(yīng)變曲線。每組5個試樣，取平均值。計算沖擊強度：

α K = AK/F

AK 為沖擊吸收功（試樣變形和斷裂所消耗的功，J），F(xiàn) 為試樣缺口底部處橫截面積（cm2）。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件，與對照組的比較采用LSD t檢驗。α＝0.05。

2 結(jié) 果

2.1 X射線衍射分析 經(jīng)TTB表面處理前后的納米TiO2粉末的X射線衍射譜線相似，均在2θ＝25.4°出現(xiàn)TiO2的特征衍射峰，峰形尖銳對稱且具有相似的強度(圖1)。對其晶型分析顯示，表面處理前后均為金紅石和銳鈦礦混合型，二者的含量分別為47%和53%，晶粒尺寸分別為27.5 nm和16.5 nm。

2.2 紅外線衍射光譜 納米TiO2粉末表面處理前后，兩個樣品在650 cm-1附近均出現(xiàn)TiO2新的特征吸收峰，同時由于TiO2吸收空氣中的水分在表面形成羥基，在3 430 cm-1附近的出現(xiàn)羥基的特征吸收峰；處理后樣品在1 445和1 731 cm-1處的吸收峰強度都有所增強(圖2)。

2.3 分散性觀察 在透射電鏡照片中可見形態(tài)規(guī)則、邊緣清晰的高結(jié)晶度和形態(tài)不規(guī)則的低結(jié)晶度的納米TiO2粒子，經(jīng)表面處理的納米TiO2粒子的團聚程度比未處理組要小，團聚體的尺寸較小，但還未達(dá)到很好的分散效果(圖3)。

2.4 彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度 納米TiO2粉末的加入能提高義齒基托樹脂的機械性能，添加比為2%時復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最好，其彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度分別為(86.274±5.053)MPa、(1.916±0.190)GPa和(4.009±0.279)J/cm2(表1)。除2%組和對照組間的彎曲強度值差別有統(tǒng)計學(xué)意義外，其余各組和對照組的比較差別均無統(tǒng)計學(xué)意義。1%組、2%組、3%組和對照組間的彎曲模量的差別有統(tǒng)計學(xué)意義，1%組、2%組和對照組間的沖擊強度的差別具有統(tǒng)計學(xué)意義，其余各組和對照組的兩兩比較差別均無統(tǒng)計學(xué)意義。 表1 不同TiO2添加比的義齒基托樹脂的機械性能

3 討 論

3.1 納米TiO2的X射線、紅外衍射分析及其分散形態(tài)觀察 在X射線衍射圖中，TiO2粉末衍射特征峰的位置和強度、晶粒的晶型和尺寸均沒有改變，說明用TTB對納米TiO2的表面處理不會改變原始粒子的基本特性，該型納米TiO2具有良好的結(jié)晶度。在紅外衍射分析中，樣品在1 445和1 731 cm-1處的吸收峰分別對應(yīng)COOTi的伸縮振動峰和酯類中C=O的伸縮振動吸收峰，經(jīng)表面處理后的樣品在這兩處吸收峰的強度有所增強，說明納米TiO2有物理吸附偶聯(lián)劑或二者表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使納米TiO2的表面存在有機基團，這有利于其在高聚物中的分散性并增加黏結(jié)力，并提高復(fù)合材料的綜合性能。程云濤等用TTB對納米TiO2進行表面處理，通過原位聚合制成表面包覆PMMA的納米TiO2顆粒，表明經(jīng)改性后的納米TiO2在有機溶劑中具有良好的分散穩(wěn)定性能[5]。本實驗通過TEM觀察可知，盡管表面處理后納米TiO2的分散性能有一定的提高，但仍存在較多的團聚。這種差異可能和實驗方法的不同有關(guān)，其在原位聚合時還經(jīng)過1.5 h的超聲分散，產(chǎn)物是表面包覆PMMA的納米TiO2顆粒。故在偶聯(lián)劑種類的選擇、超聲分散的手段和分散的時間上還需進一步的改進。同時TTB本身具有刺激性，表面處理后需經(jīng)過多次的洗滌和抽濾，其對口腔黏膜的影響還需進一步進行生物學(xué)實驗。

3.2 彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度 納米TiO2具有長效抗菌、防霉的功能。納米TiO2作為無機填料增強增韌高分子聚合物是制備具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料的重要方法，由于納米TiO2具有表面親水性、極大的比表面積、熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)使其不易在有機介質(zhì)中分散并保持穩(wěn)定，易發(fā)生團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致了復(fù)合材料的機械性能降低，故還需探索在提高復(fù)合材料抗菌性的同時對其機械性能的影響。本實驗中，用TTB表面處理的納米TiO2粉末的加入提高了義齒基托樹脂的機械性能，隨著加入量的增加，材料的彎曲強度和沖擊強度均隨之增大，添加比為2%時達(dá)最大值，然后又稍降低，彎曲模量有明顯的增加。關(guān)于這種增強作用是由于納米TiO2粒子尺寸小，比表面積大，表面的物理和化學(xué)的缺陷多，而且經(jīng)TTB偶聯(lián)劑表面處理后納米粒子表面包覆有機基團，減少團聚現(xiàn)象，易與高分子鏈發(fā)生化學(xué)結(jié)合，從而提高基托樹脂的強度。當(dāng)填料的含量較低時，由于納米粒子的誘導(dǎo)結(jié)晶和/或阻礙裂紋擴展效應(yīng)都能使材料的彎曲強度和沖擊強度增大。但隨著加入量的增加，納米TiO2粒子過于靠近，易發(fā)生團聚，在高分子材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷和應(yīng)力集中，導(dǎo)致機械性能下降。納米TiO2粒子的存在會使PMMA聚合物的結(jié)晶度減小，使材料的彎曲模量減小。同時其作為剛性填料對高分子的限制效應(yīng)又會使復(fù)合材料的彎曲模量增加，本實驗的結(jié)果可能是這兩方面的綜合作用。王瀟婕等采用機械混合的方法認(rèn)為，納米TiO2加入提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，測定含量為3%時復(fù)合材料的彎曲強度和彎曲模量最高達(dá)134.67 MPa、1.38 GPa[6]。與本實驗結(jié)果的差異可能是采用不同廠家的基托樹脂和混合方法的不同所致。由于咀嚼運動時義齒基托承受咀嚼力極其復(fù)雜性，納米TiO2/義齒基托樹脂復(fù)合材料機械性能的提高有助于保證臨床修復(fù)治療的成功。

筆者認(rèn)為，表面處理的納米TiO2能提高義齒基托樹脂的機械性能。

參考文獻

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篇4

關(guān)鍵詞：納米材料 太陽電池 光催化 興趣小組

中圖分類號：N39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0001-01

為了更好地開展“納米科技”興趣小組，將興趣小組分成以下幾個部分來實施：納米材料的基本知識及制備方法，染料敏化納米薄膜太陽電池，納米科技在光催化、光吸收等方面的應(yīng)用。

1 納米材料的基本知識及制備方法

“納米科技”興趣小組剛開展時，指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻的方法，為小組成員提指導(dǎo)學(xué)生制作太陽電池，首先制作納米二氧化鈦，有很多參數(shù)會影響到納米供相關(guān)科技書籍，指導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)知識：納米概念、納米微粒結(jié)構(gòu)、納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)、納米材料的制備方法等，啟發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)科學(xué)知識，激發(fā)學(xué)生對納米科技的興趣。

針對小組成員是大一新生，理論知識和實驗技能相對不足，利用課余時間指導(dǎo)小組成員學(xué)習(xí)理論知識和常規(guī)的實驗技能，指導(dǎo)小組成員做一些簡單的材料制備實驗，熟悉紫外-可見分光光度（UV-Vis）、pH計等分析儀器。給小組成員布置學(xué)習(xí)任務(wù)，按期提交學(xué)習(xí)心得，督促小組成員盡快掌握基本的理論知識和實驗技能。給學(xué)生做演示實驗，指導(dǎo)實驗的關(guān)鍵點。通過言傳身教，讓學(xué)生懂得科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，養(yǎng)成多動腦筋、勤觀察現(xiàn)象、善于分析的好習(xí)慣。指導(dǎo)學(xué)生掌握如何設(shè)計實驗方案，如何記錄實驗現(xiàn)象，如何進行實驗分析和數(shù)據(jù)處理。組織小組成員進行討論交流，提高學(xué)生獨立思考、分析理解能力、動手操作和自主創(chuàng)新的能力；增強學(xué)生的綜合能力，促進學(xué)生素質(zhì)的全面發(fā)展。

在興趣小組的實施過程中，小組成員通過查閱資料、文獻檢索、聽講座、看演示實驗、動手做實驗、討論交流等方式了解納米科技，熟悉納米材料的基礎(chǔ)知識，納米材料的制備方法：共沉淀法、水解法、溶膠-凝膠法和微乳液法等，能動手制備一些納米材料，如：納米二氧化鈦、納米二氧化硅等。

隨著小組成員理論知識和實驗技能的提高，指導(dǎo)學(xué)生掌握實驗方案及注意事項，讓學(xué)生動手做一些實驗。指導(dǎo)學(xué)生利用實驗數(shù)據(jù)分析實驗結(jié)果，比較各個工藝路線的優(yōu)劣，討論如何設(shè)計下一步的實驗方案。指導(dǎo)學(xué)生記錄實驗過程，實驗現(xiàn)象，以及一些困惑和思考。學(xué)生在做科學(xué)研究時，興趣更大，操作更加細(xì)致認(rèn)真。先后做的實驗有：納米二氧化鈦的制備，并用紫外-可見分光光度分析納米二氧化鈦的的光化學(xué)性質(zhì)；制備摻雜型納米二氧化鈦材料，納米二氧化鈦和二氧化硅復(fù)合材料的制備。納米TiO2顆粒容易團聚形成較大的聚集體，對納米TiO2進行表面改性以避免其團聚現(xiàn)象。納米TiO2顆粒的晶型、顆粒大小對光催化性能起著決定性的作用，分析影響光催化劑晶型、粒徑的因素，控制納米TiO2的晶型和粒徑。

2 染料敏化納米薄膜太陽電池

給學(xué)生介紹染料敏化納米薄膜太陽電池（DSC），DSC具有廉價的原材料和簡單的制作工藝以及穩(wěn)定的性能等優(yōu)勢。DSC采用有機染料來敏化納米多孔TiO2半導(dǎo)體，由于有機染料分子設(shè)計合成的靈活性和納米半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，DSC在技術(shù)發(fā)展和性能提高上有很大的潛力。

TiO2的形態(tài)（粒徑、顆粒形狀、孔隙和比表面積等），還有pH值及反應(yīng)溫度和時間等。在第一階段已經(jīng)做過納米二氧化鈦，然后合成染料敏化劑聯(lián)吡啶釕，染料敏化劑在太陽電池中的作用是極其重要的，它具有很寬的光譜吸收范圍和良好的穩(wěn)定性，能有效地捕獲太陽光，并通過染料分子的吸附功能基團與納米TiO2薄膜表面形成化學(xué)鍵，使染料能夠有效地敏化納米TiO2薄膜電極。將合成的染料溶于乙醇中，配制成染料溶液。第三步配制電解質(zhì)。第四步，準(zhǔn)備好導(dǎo)電玻璃，將二氧化鈦薄膜印刷到導(dǎo)電玻璃上，然后浸泡到染料溶液中，在反電極的玻璃上鍍上一層鉑。最后將兩片導(dǎo)電玻璃固定好，注入電解質(zhì)，密封好就得到太陽電池了。學(xué)生親自動手制作電池，興趣很大，動手能力也得到很好的鍛煉。

3 納米科技在光催化、光吸收等方面的應(yīng)用

指導(dǎo)小組成員學(xué)習(xí)納米材料在光催化、光吸收、生物、醫(yī)藥、磁性材料及傳感器等方面的應(yīng)用；指導(dǎo)小組成員分析納米二氧化鈦的應(yīng)用研究，如在水處理、氣體凈化、抗菌保潔等方面的應(yīng)用；指導(dǎo)小組成員學(xué)習(xí)工業(yè)廢水的常規(guī)處理方法，以及催化劑的性質(zhì)和應(yīng)用；指導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識運用到實踐中，將金屬離子摻雜納米二氧化鈦光催化劑應(yīng)用到光催化降解工業(yè)廢水中。

采用溶膠-凝膠法制備共摻雜鋅、銀的納米TiO2光催化劑，提高納米TiO2的光催化效率。考察摻雜量、催化劑加入量等對光催化性能的影響。在處理制漿造紙工業(yè)、農(nóng)藥制造、印染、化工等多種工業(yè)排放廢水方面顯示出良好的應(yīng)用前景。這種光催化技術(shù)對解決環(huán)境污染，治理環(huán)境有重要的意義，特別是在全球環(huán)境惡化，病毒性傳染病時有發(fā)生的今天，加強光催化降解有機污染物技術(shù)更為重要。以甲基橙染料廢水的光催化降解為例，分析鋅、銀共摻雜納米TiO2光催化劑的降解效率。分析影響甲基橙染料廢水的光催化降解的因素：光照強度、反應(yīng)時間、催化劑用量、pH值、有機廢水濃度等。

4 結(jié)語

通過“納米科技”興趣小組的開展，小組成員對科學(xué)研究產(chǎn)生了很大的興趣，學(xué)到了很多有用的科技知識和實驗技能，掌握了科研的一些基本方法和技能，能進行文獻的檢索，實驗方案的選擇等，能用紫外-可見分光光度（UV-Vis）對納米光催化劑的光化學(xué)性質(zhì)進行分析，能比較各個工藝路線的優(yōu)劣，討論如何設(shè)計下一步的實驗方案。“納米科技”興趣小組的開展大大提高了小組成員對專業(yè)課的學(xué)習(xí)興趣，為今后走向工作崗位奠定了一定的理論知識和實驗操作技能。

通過“納米科技”興趣小組的開展，小組成員能制備出納米二氧化鈦、共摻雜鋅、銀納米TiO2光催化劑等納米材料。這種新型光催化劑是造紙、農(nóng)藥、印染、化工等多種企業(yè)所需要的，為企業(yè)解決工業(yè)廢水的治理問題。

參考文獻

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篇5

【關(guān)鍵詞】離子摻雜；溶膠—凝膠法；光催化劑十二烷基苯磺酸鈉

納米TiO2 是一種比較理想的半導(dǎo)體光催化劑，在廢水處理、空氣凈化以及保潔除菌等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。研究中發(fā)現(xiàn)，在制備納米二氧化鈦過程中摻雜一定量的金屬離子或?qū)ζ溥M行表面改性，能有效地阻止電荷在轉(zhuǎn)移過程中的復(fù)合，使其光催化活性提高，在其中摻雜過渡金屬及稀土元素能顯著改善其光催化性能。如：摻雜Zn 、熒光素具有良好的光學(xué)性質(zhì)， 摻雜CeO2 具有熱、光催化作用。

本文采用單摻雜鈰、鐿制備出幾種改性納米TiO2 材料，并以其作為光催化劑，選擇十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）作為目標(biāo)降解物，對上述幾種改性納米TiO2 的光催化性能進行了對比研究。

1 實驗部分

1.1 納米TiO2 粉體的制備

室溫下，將鈦酸丁酯（10ml）與無水乙醇（25ml） 混合，磁力攪拌30min，均勻混合得到溶液A；將A 置于分液漏斗中備用。另取無水乙醇（25ml），冰醋酸（5ml）， Xml的Ce4+試劑和Yml的Yb3+ 試劑（由計算所得）充分混合制成B液備用。在劇烈攪拌下將A液慢慢滴入（1滴/2s）B液中，時間為30 min；滴加完畢，繼續(xù)攪拌20 min。靜置，即可得到透明的溶膠。得到的溶膠靜置48小時以上，得透明凝膠。80℃恒溫烘烤65 h后。烘干的樣品分批送入箱式電阻爐內(nèi)進行高溫煅燒。研磨得到白色或淺黃色的稀土摻雜的納米氧化鈦粉體。

1.2 復(fù)合TiO2納米催化劑的光催化活性評價

稱取0.5g十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），配制成濃度為100mg/L的溶液500ml。

利用UV-Vis 8500型紫外可見分光光度計測定濃度為100mg/LSBDS的吸收光譜曲線，設(shè)定波長λ掃描范圍為200nm～400nm，通過吸光度對波長曲線圖（A～λ）確定入射光波的波長。實驗測得SDBS的特征峰對應(yīng)的最大吸收波長為285nm。在此波長下，100mg/L的 SDBS溶液的吸光度為0.4475。

1.3 光降解十二烷基苯磺酸鈉實驗操作

以20ml的100mg/L的十二烷基苯磺酸鈉溶液為目標(biāo)降解物，分別以TiO2， Yb2O3-TiO2 ，CeO2 -TiO2為光催化劑。每次取適量的放入目標(biāo)降解物中，充分?jǐn)嚢琛Ｓ诜忾]體系中以高壓汞燈做單一光源進行照射，每隔15min ，將樣品取出經(jīng)離心分離后用UV-VIS8500型紫外可見分光光度計測定吸收度A，根據(jù)公式（a） 計算得到被測定目標(biāo)降解物溶液在紫外光照射下的降解率。

D % = （1 - A t/ A 0） ×100 % （a）

其中：

D----降解率；

At----目標(biāo)降解物溶液反應(yīng)后的吸光度；

A0----目標(biāo)降解物溶液未反應(yīng)時的吸光度。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合納米TiO2光催化劑的含量對SDBS降解率的影響

不同稀土摻雜的TiO2光催化劑（Naked TiO2、Yb2O3-TiO2 、（CeO2 、Yb2O3）-TiO2 、CeO2 -TiO2）對十二烷基苯磺酸鈉的降解，催化劑中稀土氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下同）均為0.25%。在1.5h內(nèi)，每隔15min取樣測定SDBS吸光度的變化，并按式（a）計算相應(yīng)的降解率。1.5h內(nèi)，降解效率分別為16.5%、52.8%、76.3%、63.5%。可見：相同條件下，1.5h內(nèi)摻雜稀土的光催化劑較純TiO2的降解率都明顯提高。在相同摻雜濃度下，（CeO2 、Yb2O3）-TiO2 光催化劑降解十二烷基苯磺酸鈉的速率最好，降解率達(dá)76.3%。

2.2 復(fù)合光催化劑濃度對SDBS降解效率的影響

2.2.1 摻雜不同含量鈰的復(fù)合光催化劑對光催化降解SDBS的影響

以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）的CeO2–TiO2光催化劑為催化劑，在相同外界條件下進行了光催化降解十二烷基苯磺酸鈉溶液。步驟同上。1.5h內(nèi)，降解效率分別為63.8%、82.1%、78.5%、64.6%、59.5%。可見：在1 .5h 內(nèi)， CeO2 -TiO2光催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 20 % 時，其對十二烷基苯磺酸鈉溶液的降解速率達(dá)到82.1%，降解效率最高。

2.2.2 摻雜不同含量鐿復(fù)合光催化劑對光催化降解SDBS影響

以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.1%、0.2%、0.25%、0.5%、0.3%）的Yb2O3- TiO2光催化劑為催化劑，在相同外界條件下進行了光催化降解十二烷基苯磺酸鈉溶液。步驟同上。1.5h內(nèi)，降解效率分別為35.8%、45.9%、72.5%、68.6%、78.7%。可見：摻雜Yb2O3- TiO2復(fù)合光催化劑降解十二烷基苯磺酸鈉的最佳濃度為0.3%。結(jié)果表明，純TiO2光催化活性明顯低于Yb 摻雜樣品。對于Yb 改性樣品（0.3 %） ，催化劑活性最高。Yb 質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.3 %時SDBS降解率隨摻雜量的增加而增加，當(dāng)Yb 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0. 34 %時，降解率隨摻雜量的增加而降低。

2.3 雙摻雜離子的配比對復(fù)合光催化劑降解效率的影響

分別以（CeO2 、Yb2O3）-TiO2光催化劑中不同Yb，Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)比（0.15：0.1、0.1：0.1、0.05：0.1、0.2：0.1、0.3：0.1）的復(fù)合光催化劑參與催化反應(yīng)。步驟同上。1.5h內(nèi)，降解效率分別為57.5%、76.3%、81.5%、83.2%、85.7%。

粉體的光催化效率是通過在同樣的試驗條件下，比較285nm 處十二烷基苯磺酸鈉的吸光度的下降值，計算出降解度。1.5h 后，比較十二烷基苯磺酸鈉的降解率發(fā)現(xiàn)，實驗用的五種摻雜納米二氧化鈦在同樣條件下的降解速度不同，降解速度由大到小的順序為（Yb： Ce） 0.3 %：0.1% > 0.2 %：0.1%>0.05%：0.1%>0.1%：0.1%>0.15% ：0.1% 。在光照下，以雙摻雜復(fù)合光催化劑Yb， Ce配比為3：1的納米二氧化鈦粉體作為催化劑， 十二烷基苯磺酸鈉降解最快。

3 結(jié)論

（1）適量的稀土元素?fù)诫s均可顯著的改善TiO2的光催化性能。

（2）對十二烷基苯磺酸鈉來言，鈰的最佳摻雜濃度為0.2%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同），鐿的最佳摻雜濃度為0.3%。雙摻雜鐿，鈰的最佳配比是3：1（0.3%：0.1%）。

（3）通過對粉體制備過程工藝參數(shù)的實驗研究，得出使用溶膠凝膠法合成法制備納米TiO2的最佳工藝參數(shù)為：pH為2.5～4.0；凝膠化溫度應(yīng)在20℃～35℃；反應(yīng)時間在1.5h左右；陳化時間為2d；水與鈦酸丁酯體積比為0.5～1.0；煅燒的最佳溫度為500℃。

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篇6

Abstract: DSSC cell, as a novel photochemical solar cell, has many advantages, such as the simple production process, low production cost, stable performance and so on, which has milestone significance in the development of solar cells. In this paper, the research and exploration on preparation of dye-sensitized titanium dioxide film electrode and its optical properties are conducted.

關(guān)鍵詞：二氧化鈦；DSSC；光電性能

Key words: titania；DSSC；optical properties

作者簡介：平從（1983-），男，河北安國人，碩士研究生，研究方向為氧化鈦納米管在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用；吳志明（1964-），男，四川夾江人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為子聚合物材料及器件等。

1 DSSC太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

染料敏二氧化鈦納米太陽能電池一般由透明導(dǎo)電玻璃（ITO）、納米二氧化鈦多孔膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)溶液和鍍鉑電極等部分構(gòu)成。工作原理為：在太陽光照射下，染料分子接收光能，其中的電子可以躍遷到激發(fā)態(tài)，此時二氧化鈦作為電子受體能夠接受染料分子中的活躍電子，同時使染料分子因失去電子變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。電解質(zhì)溶液被當(dāng)做電子供體，向氧化狀態(tài)的染料提供電子同時使之還原再生，電流擴散至電極，得到電子。同時完成還原工作，進而實現(xiàn)一個完整的光電循環(huán)。

2 二氧化鈦薄膜的制備研究

2.1 以溶膠、凝膠法作為基礎(chǔ)的涂層方法 溶膠、凝膠法通常指金屬醇鹽或無機物經(jīng)過溶膠、凝膠固化后，經(jīng)過熱處理形成氧化物以及其他化合物固體的一種方法。這種方法在上世紀(jì)80-90年代在玻璃涂層、氧化物涂層以及功能陶瓷等方面應(yīng)用較為廣泛，特別是在高臨界溫度氧化物的合成中更是得到了成功應(yīng)用。目前這種方法仍然被作為制備薄膜的一種實用方法。

2.2 以化學(xué)反應(yīng)作為基礎(chǔ)的化學(xué)氣相沉積法 化學(xué)氣相沉積法能夠沉積碳化物、氮化物以及硼化物等多種材料，運用這種方法可以在外形復(fù)雜表明形成膜層。該方法是薄膜制備方法的中重要一種，可細(xì)分為熱CVD、光CVD、等離子體CVD、MOCVD等多種。化學(xué)氣相沉積法以化學(xué)反應(yīng)作為基礎(chǔ)，沉積反應(yīng)包括化學(xué)合成反應(yīng)和熱分解反應(yīng)等兩種。化學(xué)氣相沉積法的實質(zhì)是在高溫下化學(xué)反生成固態(tài)沉積成膜方法。高溫是化學(xué)氣相沉積法的一個重要特征，大多數(shù)多反應(yīng)的環(huán)境溫度要在600℃以上。由于MOCVD技術(shù)相對沉積溫度較低，且沉積速率高等。近年來在單晶硅片等方面的鍍膜得到了比較廣泛的應(yīng)用。

2.3 以輝光放電作為基礎(chǔ)的物理氣相沉積法 物理氣相沉積法是利用輝光放電以及熱蒸發(fā)等物理方法，是制備硬膜的常用技術(shù)，其中包括離子鍍和濺射鍍膜和真空蒸發(fā)鍍膜等。具有沉積溫度低，不會導(dǎo)致基底變形以及鍍層性能改變等多種優(yōu)點。可以通過電子束蒸發(fā)、離子束濺射、直流（交流）反應(yīng)磁控濺射等多種物理氣相沉積的方法來進行制備。其最大優(yōu)勢是的薄膜厚度比較容易控制，缺點為環(huán)境要求真空，設(shè)備價格較昂貴。

3 二氧化鈦薄膜電極的制備及光電性能研究

二氧化鈦薄膜的制備可以采用溶膠凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法等。根目前溶膠凝膠技術(shù)依然具有較大的優(yōu)勢，是目前最為常用的方法。本次研究采用的是浸漬提拉法。可能影響性能的因素為鈦酸丁脂、乙醇、抑制劑、催化劑（酸）以及水和反應(yīng)溫度。

3.1 正交試驗 如表1所示。

3.2 正交實驗結(jié)果 將依據(jù)正交工藝制備的二氧化鈦薄膜用500℃的溫度進行3個小時的熱處理，待冷卻到100℃的溫度時，馬上放入乙醇中，浸泡24小時，然后取出烘干，組成電池后，在模擬條件下，測試后短路電流和開路電壓。從實驗結(jié)果上看，乙醇3、鈦酸丁脂2、水1、二乙醇胺2的情況下，也就是第六組所所制備的二氧化鈦薄膜具有較好的光電性能。

3.3 保溫時間對二氧化鈦電極光電性能的影響 為研究保溫時間對開路電壓和短路電流的影響。我們進行了相關(guān)試驗。從測試結(jié)果（表2）可以看出，保溫時間從h1逐步增加到3h的時候，電池的短路電流以及開路電壓都是逐漸增大，在保溫時間達(dá)到3h時，開路電壓和短路電流和最大。以上測試結(jié)果表明，由于保溫時間為hl時，二氧化鈦膜中的有機物因為時間短不能完全釋放，從而影響了光電流的產(chǎn)生以及電池的光電轉(zhuǎn)化率。

3.4 提拉次數(shù)對光電性能的影響 為了研究二氧化鈦膜厚度對光電性能的影響，我們按照5m/s的速度進行不同次數(shù)的提拉成膜試驗，提拉次數(shù)分別為2、4、6、8、10次，提膜后馬上放在100℃干燥箱，進行10分鐘的保溫鐘，冷卻5分鐘以后再次提拉。在500℃溫度下退火3小時以后，再冷卻到100℃，馬上放入綠素染料中，浸泡24小時，取出后用乙醇清洗表面，然后取出烘干，組成電池后，在模擬條件下，測試后短路電流和開路電壓。試驗結(jié)果（表3）表明，當(dāng)提拉次數(shù)為6時，開路電壓達(dá)和短路電流達(dá)到最大值。由于在DSC電池中，入射光的獲取依靠染料分子，隨著薄膜厚度的增加，染料分子也相應(yīng)越多，光生電流就較大，在二氧化鈦膜較薄時，吸附的分子數(shù)較少，光生電流就小。但膜厚達(dá)到一定厚度以后，將會產(chǎn)生較多的微裂紋，會影響了傳輸，導(dǎo)致短路電流和開路電壓的下降。

4 結(jié)語

本文通過正交試驗優(yōu)化薄膜的工藝參數(shù)，探討了保溫材料比重和保溫時間、提拉次數(shù)等對光電性能的影響。對于揭示光生電荷的傳遞機理，探討二氧化鈦電極在太陽能電池方面的應(yīng)用具有一定的理論意義和現(xiàn)實意義。

參考文獻：

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篇7

關(guān)鍵詞 TiO2 光催化劑 摻雜改性

中圖分類號：O472 ； O643 文獻標(biāo)識碼：A

1金屬離子摻雜改性

大量的研究報告顯示金屬離子的摻入可改善TiO2薄膜的光催化性能。在TiO2晶格中摻入金屬離子可達(dá)到通過引入缺陷位置或改變結(jié)晶度來抑制電子與空穴的復(fù)合、延長載流子的壽命，從而改善光催化性能。

金屬離子摻雜對電荷對遷移過程的影響主要存在三個方面：

（1）當(dāng)半導(dǎo)體的表面電荷層厚度達(dá)到與入射光的入射深度相同時，催化劑的光致電子和空穴的分離最有效，催化劑對光的利用效率也最高，此時的金屬離子的摻雜量為最佳摻雜量。

（2）摻雜離子在TiO2晶格中必須既可以捕獲光生電荷，又可以將傳遞光生電荷，摻雜后才能夠具有良好的光催化性。

（3）金屬離子的最佳摻雜量是通過測量光生電荷的壽命來度量和表征的。

付宏剛等采用溶膠-凝膠法制備Fe3+/TiO2/SiO2薄膜，通過對羅丹明B在模擬日光下的光催化降解實驗發(fā)現(xiàn)，摻雜0.03%Fe3+得到催化劑對羅丹明B的降解率最高，且Fe3+/TiO2/SiO2薄膜催化劑比TiO2粉體催化劑具有更高的光催化活性。曹亞安等研究了Sn4+摻雜對TiO2薄膜光催化性能的影響，Sn4+/TiO2薄膜光催化活性相對未摻雜TiO2薄膜有所提高，原因如下：TiO2薄膜吸附CO2含量高于Sn4+/TiO2薄膜吸附CO2含量，表面吸附的CO2可以和表面的羥基、橋氧形成雙齒結(jié)構(gòu)的表面物種，使有利于光催化的表面活性物種的含量降低，從而使光催化活性有所降低；Sn4+/TiO2薄膜比TiO2薄膜具有更大的比表面積，光催化活性相應(yīng)增強；Sn4+的引入，引起了Sn4+/TiO2薄膜相對TiO2薄膜晶格參數(shù)和晶包體積的增加，形成晶格缺陷、表面缺陷。尹霞等利用溶膠-凝膠法和微波等離子體沉膜技術(shù)，制備了同時摻入Fe3+和H的TiO2薄膜，發(fā)現(xiàn)Fe3+-H/TiO2薄膜比Fe3+/TiO2薄膜光催化活性高，可能是由于適量的Fe3+取代Ti4+后，在晶格內(nèi)部引入了缺陷，成為電子、空穴的陷阱，減少了電子-空穴的復(fù)合，延長 ?OH自由基的壽命；摻雜的H原子半徑很小，可以位于TiO2晶格之間，受到近紫外或可見光的照射，氫原子的1s軌道上的電子可以躍遷到2s或2p軌道上，形成空穴，空穴遷移到薄膜的表面，從而更有效地利用了可見光，提高可見光的利用率，提高光催化效果。Pt4+摻雜制備的TiO2薄膜兼具光催化和化學(xué)催化雙重活性，到目前為止，能夠兼具光催化和化學(xué)催化雙重活性的，僅發(fā)現(xiàn)于采用提拉-光沉積兩步法制得的鉑化TiO2薄膜。對于摻雜離子Au3+的引入，由于Au3+能被還原成單質(zhì)態(tài)，所以Au3+摻雜能使吸收光譜發(fā)生紅移，能提高對紫外-可見光吸收能力，而且隨著摻雜濃度的增大，吸光度也會增加越多。

2非金屬離子摻雜改性

非金屬元素?fù)诫s二氧化鈦得到廣泛關(guān)注，并成為一個研究的熱點，始于Asahi等人發(fā)現(xiàn)N摻雜二氧化鈦在可見光下光催化效果有所提高。

非金屬元素（如：C、P、F、N、S等）的摻雜可使雜質(zhì)原子代替TiO2中的氧原子，使TiO2的價帶變寬，帶隙變窄，因而表面更容易產(chǎn)生高活性電子和空穴，能使表面更容易趨向于超親水性，同時控制TiO2非金屬摻雜物的濃度和性質(zhì)，可以改變其結(jié)晶度、相位和表面結(jié)構(gòu)，使它具有更好的光催化效果和超親水性能。N摻雜TiO2薄膜的透射度比起稀土元素?fù)诫s的TiO2要低10%，禁度寬帶也變低，使吸收光譜出現(xiàn)紅移（480～490nm），而且TiO2-xNx薄膜有著很長的光衰退時間（72h）。導(dǎo)帶附近離散的電子水平在帶隙產(chǎn)生使得超親水性和活化時間的延長，并進一步增加薄膜表面粗糙度，使其具有較高的超親水性能。Lin等人認(rèn)為N摻雜的二氧化鈦，N原子的2p軌道形成了高于O2p軌道的定域態(tài)，減小了二氧化鈦的禁帶寬度，同時表面O原子缺陷引起的Ti3+離子也會導(dǎo)致禁帶寬度減小，增加二氧化鈦對可見光的吸收。C摻雜TiO2比N、S摻雜TiO2具有更高的光催化活性和超親水性能。C具有較高的吸附能力，跟TiO2產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，薄膜表面可以形成納米管，能提高其表面吸附能力。C的摻入使表面會生成石墨靶可以擴展TiO2薄膜的吸收波長到可見光區(qū)范圍（450nm），同時表面生成的碳納米管、Ti-C鍵和碳酸鹽，改變了薄膜的表面結(jié)構(gòu)，使其更容易變成超親水性表面。

參考文獻

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篇8

關(guān)鍵詞：啟發(fā)―創(chuàng)新 實踐教學(xué) 教學(xué)模式

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）02（a）-0216-02

大學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新能力的提高是教育工作者的宗旨，也是當(dāng)今社會企業(yè)經(jīng)濟發(fā)展對高等學(xué)校人才培養(yǎng)追求的主要目標(biāo)之一[1，2]。近年來，企業(yè)在用人上愈來愈重視在校大學(xué)生的工程實際動手能力和創(chuàng)造能力，都將大學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力視為是否錄用的首要條件。實踐教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生實踐能力、社會適應(yīng)能力和堅強意志品質(zhì)等綜合素質(zhì)的重要途徑[3，4]。在實踐教學(xué)過程中，實踐教學(xué)模式起著舉足輕重的作用，各高校都在積極推進實踐教學(xué)改革及人才培養(yǎng)模式的改革，構(gòu)建滿足要求的實踐教學(xué)體系。

“啟發(fā)―創(chuàng)新”教學(xué)模式是按照知識創(chuàng)新的過程，提出問題，使學(xué)生去嘗試創(chuàng)新、感覺創(chuàng)新，從而理解創(chuàng)新，其目的在于要生動、主動地給予學(xué)生比較完全的知識。在教學(xué)過程中，將“啟發(fā)”與“創(chuàng)新”緊密結(jié)合起來，采用多種方式使學(xué)生達(dá)到“憤悱”狀態(tài)，從而啟發(fā)之。該方法能夠使學(xué)生將知識―技能―能力實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，是實踐教學(xué)取得成功的重要途徑之一[5，6]。本文以南京信息工程大學(xué)材料物理專業(yè)本科生的畢業(yè)論文課題“二氧化鈦納米晶多孔微球的制備及性能”為例，討論如何將“啟發(fā)―創(chuàng)新”模式應(yīng)用于大學(xué)生的實踐教學(xué)。

1 “啟發(fā)―創(chuàng)新”教學(xué)法指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻，實現(xiàn)方法創(chuàng)新

材料物理專業(yè)是南京信息工程一個非優(yōu)勢學(xué)科專業(yè)，實踐教學(xué)體系和模式并不是非常完善，大學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)的專業(yè)知識相對薄弱，對實踐任務(wù)的實施計劃還缺少理性的分析。在“二氧化鈦納米晶多孔微球的制備及性能”實踐的具體實施過程中，指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生的知識現(xiàn)狀和自己的實驗經(jīng)驗，首先制定一個與二氧化鈦制備相關(guān)的簡單制備工藝，讓學(xué)生自己動手完成工藝的全過程，老師在指導(dǎo)學(xué)生實驗的同時，對實驗過程作簡單的分析和解釋，學(xué)生通過親自體驗和老師的講解，對二氧化鈦的制備工藝有了感性認(rèn)識。然后老師提出問題，如“制備二氧化鈦還有哪些方法？”“怎么合成納米二氧化鈦？”“怎么合成二氧化鈦多孔微球？”等等。學(xué)生帶著這些問題查閱相關(guān)文獻，了解二氧化鈦制備和性能的相關(guān)知識。通過具體的實驗觀察和文獻了解，學(xué)生對“二氧化鈦納米晶多孔微球的制備”這一實踐任務(wù)完成方法達(dá)到了“憤悱”狀態(tài)，很想知道我們能做什么，我們應(yīng)該怎么做。最后在老師指導(dǎo)下，學(xué)生對自己的想法進行歸納整理，并根據(jù)現(xiàn)有實驗條件，提出具體的實驗方案。老師對實驗方案進行理性講授，討論方案的可行性，確定最終方案。學(xué)生經(jīng)過這樣一個啟發(fā)的過程，可能對具體的實踐任務(wù)提出新的方式方法，從而實現(xiàn)實驗方法的創(chuàng)新。

2 “啟發(fā)―創(chuàng)新”教學(xué)法指導(dǎo)學(xué)生進行具體實踐，實現(xiàn)過程創(chuàng)新

實踐的過程是大學(xué)生主觀和客觀相統(tǒng)一的過程。在實踐過程中，大學(xué)生即可以把自身所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為實際運用，養(yǎng)成一定技能技巧動手操作能力；更重要的是，實踐的過程也是創(chuàng)新的過程。學(xué)生應(yīng)用知識解決各種實際問題，但這種運用不是書本、課堂知識的簡單重復(fù)，而要經(jīng)過頭腦加以消化，分析綜合、加工處理后才能運用。這就需要學(xué)生通過創(chuàng)造性思維，對實際問題進行抽象，建立理論模型，然后再回到實際中去，使認(rèn)識發(fā)生質(zhì)的飛躍，從而達(dá)到創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目的[7]。然而目前在許多高校中，理論與實踐，知識與能力的相互關(guān)系始終未能很好解決，傳統(tǒng)的教育理論在教育領(lǐng)域中仍有著很大的影響，表現(xiàn)出重課堂教學(xué)，輕實踐性訓(xùn)練，重知識傳授輕能力的培養(yǎng)。采用的教學(xué)方法普遍是“喂著走、抱著走”，而不是引導(dǎo)走，放開手讓學(xué)生自己走，是“注入式”的教學(xué)方法，而不是啟發(fā)式。比如每做一個實驗，教師都要擬出實驗步驟和操作方法，甚至一般用的實驗器材都要實驗員準(zhǔn)備好，教師講，學(xué)生聽，實驗人員演示，學(xué)生觀看，實驗報告一個模式，這樣“抱著走”的培養(yǎng)方式，教師省事，學(xué)生省力，然而對提高學(xué)生的動手能力和技能卻沒有好處。

我們的做法是將“啟發(fā)―創(chuàng)新”教學(xué)法應(yīng)用于指導(dǎo)學(xué)生具體實踐的全過程，主要體現(xiàn)在兩個方面：首先，指導(dǎo)老師要求學(xué)生在對實驗過程產(chǎn)生感性認(rèn)識的前提下，對每一個實驗過程產(chǎn)生的新現(xiàn)象進行觀察和記錄，老師提出問題并讓學(xué)生思考，如“合成二氧化鈦過程中溶液的顏色如何變化，為什么？”制備過程中原料添加順序不同會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？合成產(chǎn)物在干燥過程中的主要變化是什么？等。學(xué)生在整個實驗過程中對這些“知其然而不知其所以然”的問題逐漸達(dá)到急切想知道答案的“憤悱”狀態(tài)。指導(dǎo)老師引導(dǎo)學(xué)生用相關(guān)專業(yè)知識來解釋這些實驗現(xiàn)象，并補充講解，從而使學(xué)生對整個實驗過程產(chǎn)生理性認(rèn)識。其次，體現(xiàn)在對實驗階段性結(jié)果的分析過程，如在分析二氧化鈦物相組成，老師示例講解分析方法，分析軟件（JADE）的使用，結(jié)果的表征等，然后由學(xué)生對自己的實驗結(jié)果進行分析和總結(jié)，并作10～15 min的總結(jié)報告。老師組織整個團隊成員對該報告提出問題，如對多孔二氧化鈦納米微球的研究結(jié)果提出“這些實驗分析結(jié)果說明了什么？”“有沒有其它的分析方法？”“所采用的方法與文獻中現(xiàn)有的方法有什么不同，得到的結(jié)果優(yōu)勢在哪里？”這些問題激勵學(xué)生去不斷思考，獲得問題認(rèn)識，然后在指導(dǎo)老師的參與下，對問題的答案進行討論與分析。學(xué)生通過這樣一個過程，進一步將感性認(rèn)識轉(zhuǎn)化為理性認(rèn)識，并使理性認(rèn)識得到深化。同時增強了學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，促進了實驗過程的創(chuàng)新。

3 “啟發(fā)―創(chuàng)新”教學(xué)法指導(dǎo)學(xué)生總結(jié)實踐結(jié)果，實現(xiàn)成果創(chuàng)新

創(chuàng)新思維和獨立能力是科技人員應(yīng)具備的首要素質(zhì)，在畢業(yè)設(shè)計階段培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和獨立能力是一項有效的實踐。畢業(yè)設(shè)計教學(xué)成果鼓勵創(chuàng)新，在設(shè)計中要注重培養(yǎng)學(xué)生尋找潛在問題的能力和創(chuàng)造性思維，不僅鼓勵在具體實驗方法和實驗過程等方面展現(xiàn)創(chuàng)造性思維，更鼓勵以構(gòu)思為依托“以分析為基礎(chǔ)”歸納與綜合的理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合的能力創(chuàng)新。強調(diào)讓學(xué)生自主地提出解決問題的多種方案，提出富有創(chuàng)造性的方案，鼓勵畢業(yè)設(shè)計教學(xué)成果的創(chuàng)新性[8]。而本科生在畢業(yè)設(shè)計過程中普遍存在的問題是專業(yè)基礎(chǔ)薄弱，不擅長總結(jié)，對實驗結(jié)果的總結(jié)類似于實驗報告，缺乏深度，對問題的思考缺乏深度。“啟發(fā)―創(chuàng)新”教學(xué)法同樣可以用于指導(dǎo)學(xué)生歸納和總結(jié)實踐成果，對于二氧化鈦納米晶多孔微球的研究，目前其他的研究者已經(jīng)開展了多方面的研究。但指導(dǎo)老師可以設(shè)計問題，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度去總結(jié)實踐成果，比如“現(xiàn)有的研究方法主要有哪些？”“這些研究有沒有不足之處，主要是什么方面的問題？”“我們采用的方法有沒有解決其中的問題？”等等。學(xué)生在對實驗方法和實驗過程有了理性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，對這些問題進行深入思考，并慢慢意識到自己做了一個別人沒有做過的事情，其對實驗結(jié)果的總結(jié)也有了一個新的思路。在老師的指導(dǎo)下，將其中的創(chuàng)新點以文章或發(fā)明專利的形式提交，從而實現(xiàn)實踐成果的創(chuàng)新。

4 結(jié)語

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識、專業(yè)知識和基本技能來分析和解決實際問題的有效手段。“啟發(fā)―創(chuàng)新”教學(xué)法主要包括“感性體驗、問題思考、理性講授”三個基本過程，將“啟發(fā)―創(chuàng)新”教學(xué)法用于本科生的實踐教學(xué)，首先讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)獲得經(jīng)驗的、內(nèi)隱的、意會的、“不可言傳”的感性，然后通過教師設(shè)計問題，采取多種方式激勵學(xué)生思維，讓學(xué)生處于“憤悱”狀態(tài)，獲得“問題認(rèn)識”。教師根據(jù)學(xué)生的實際應(yīng)用情況進行科學(xué)的講解，幫助學(xué)生找到原因并分析，進一步將感性認(rèn)識轉(zhuǎn)化為理性認(rèn)識，使理性認(rèn)識得到深化。學(xué)生將獲得的理性認(rèn)識應(yīng)用于解決實際問題中，提高了分析問題，解決問題的能力，并在實踐方法，過程和成果總結(jié)中體現(xiàn)出創(chuàng)新性思維。

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篇9

以鈦酸正丁酯為前驅(qū)物，采用溶膠-凝膠（Sol-Gel）法制備出了新型S-N摻雜的納米TiO2，通過紫外可見吸收光譜、粒度測試、TEM測試、XRD光譜分析對所制備的粉體進行了性能表征，結(jié)果表明，和未摻雜樣品相比，S-N共摻納米TiO2的紫外吸收性能得到了改善，最佳的摻雜比例（S-N/Ti）為1∶1；本試驗制得的S-N共摻納米TiO2屬于金紅石和銳鈦礦的混合晶型，具有較小的尺寸，粒徑小于18nm，并且分散性能較好。

關(guān)鍵詞：S-N摻雜；納米TiO2；溶膠-凝膠法

目前，納米二氧化鈦（TiO2）已成為國內(nèi)外研究熱點之一，常用于織物、涂料、塑料、橡膠、廢水處理等領(lǐng)域[1-3]。然而，納米TiO2微粒比表面積大、表面能高，處于熱力學(xué)的非穩(wěn)定態(tài)，在液相介質(zhì)中受范德華力的作用極易發(fā)生團聚，影響其功能發(fā)揮，從而限制了其推廣應(yīng)用。因此，對其進行摻雜改性研究是很有必要的[4]。研究表明[5-7]，摻雜的元素主要有過渡金屬元素、稀土元素、重金屬元素、非金屬元素等。據(jù)報道，已有研究者[8～9]發(fā)現(xiàn)非金屬類的硫氮共摻雜會使TiO2的光吸收帶邊紅移，在可見光區(qū)呈現(xiàn)強吸收，這就極大地拓展了其應(yīng)用范圍。

本試驗采用溶膠-凝膠法制備S-N摻雜的納米TiO2，并運用多種現(xiàn)代分析手段對其進行表征，為S-N共摻納米TiO2的科學(xué)研究及工業(yè)應(yīng)用提供了一定的理論參考價值。

1 試驗部分

1.1 織物

純棉漂白府綢，紗支40×40，經(jīng)緯密度133×75。

1.2 試劑

鈦酸正丁酯，無水乙醇（分析純）；硝酸，硫脲（分析純）。

1.3 儀器及設(shè)備

DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津市中環(huán)實驗電爐有限公司）；LD型電子天平（沈陽龍騰電子有限公司）；電熱恒溫水浴鍋（天津市中環(huán)實驗電爐有限公司）；125W紫外燈/13W日光燈箱（本實驗室自制）；UV-2401 PC紫外-可見分光光度儀（日本島津）；美國貝克曼Delsa? Nano納米粒度儀（美國貝克曼）；H-7650 TEM電鏡（日本日立公司）；Rigaku D/max-2500型X-射線粉末衍射儀（日本理學(xué)）。

1.4 S-N摻雜納米TiO2的制備

1）在室溫下，以鈦酸正丁酯為前驅(qū)物，將一定量的鈦酸正丁酯溶解在少量的無水乙醇中，得到混合溶液A，待用。

2）在室溫下，于一定量的硫脲溶解液中加入少量的濃硝酸，得到混合溶液B，待用。

3）在溫度為30℃、轉(zhuǎn)速為30r/min的磁力攪拌下，將混合溶液A緩慢滴加到溶液B中，滴加完畢后，繼續(xù)攪拌5h，得到透明的溶膠。

1.5 測試方法

1.5.1 紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）分析

采用UV-2401 PC紫外-可見分光光度儀測試，分析樣品的紫外可見吸收光譜。

1.5.2 粒度測試

采用美國貝克曼Delsa? Nano納米粒度儀，分析溶膠粒徑分布。

1.5.3 透射電鏡（TEM）測試

將制備好的S-N摻雜納米TiO2溶膠稀釋，采用日本日立H-7650透射電子顯微鏡，觀察溶膠粒子的形貌和大小。

1.5.4 X射線粉末衍射（XRD）分析

溶膠-凝膠法自制的S-N摻雜納米TiO2在水浴中低溫蒸干，于50℃烘箱中干燥5h后得到粉末，在日本理學(xué)Rigaku D/max-2500型X-射線粉末衍射儀上測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 UV-Vis分析結(jié)果

納米材料通常具有小尺寸效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，這就導(dǎo)致了其光吸收帶的藍(lán)移。不同的S-N摻雜納米TiO2比例對紫外吸收的影響如圖1所示。

圖1 S-N摻雜對紫外吸收的影響

從圖1可以看出，不同的S-N摻雜納米TiO2比例對紫外-可見區(qū)域的吸收光譜不同，在紫外區(qū)域吸收的最佳比例為1∶1，此時，S-N共摻雜納米TiO2在紫外-可見的吸光度最大。

2.2 粒度測試結(jié)果

未摻雜和S-N摻雜納米TiO2溶膠粒子粒度的體積分布曲線如圖2所示。

圖2 未摻雜和S-N共摻納米TiO2的粒度分布

由圖2可知，溶膠-凝膠法制備的納米TiO2及非金屬S-N共摻納米TiO2的粒徑分布都在30nm以內(nèi)，它們的最小粒徑都在18nm以內(nèi)。從圖中還可看出，S-N摻雜過的納米TiO2粒徑更小，且分布更均勻。

2.3 TEM測試結(jié)果

未摻雜和S-N摻雜納米TiO2的透射電鏡觀察結(jié)果見圖3。

圖3 未摻雜和S-N摻雜納米TiO2的TEM圖

從TEM照片中可以看出，無論是未經(jīng)摻雜的還是S-N摻雜的TiO2粒子均略呈球形，粒子尺寸多數(shù)在10nm左右，最大不超過20nm，在納米尺寸范圍內(nèi)。

2.4 XRD分析結(jié)果

未摻雜和摻雜比例（S-N/Ti）為1∶1的納米TiO2的XRD衍射圖譜如圖4所示。

圖4 未摻雜和S-N共摻納米TiO2的XRD圖譜

從圖4中可以看出，未摻雜樣品在25.4°處的衍射角的峰最高，而25.4°是銳鈦礦（101）的特征晶面衍射峰，37.6°和46.85°衍射峰對應(yīng)的銳鈦礦的晶面分別為（004）和（200）。由此可知，未摻雜樣品為單一的銳鈦礦型。按S-N/Ti=1∶1的比例摻雜后，由圖可知所制備的納米TiO2已晶化，且主要為銳鈦礦型晶相結(jié)構(gòu)。在28°左右有較大的衍射峰，該峰為金紅石的特征衍射峰，并且在25.4°有較小的衍射峰，所以摻雜后的TiO2為金紅石和銳鈦礦的混合物。

3 結(jié)論

（1）溶膠-凝膠法自制的S-N共摻納米TiO2屬于金紅石和銳鈦礦的混合晶型，而未經(jīng)摻雜的納米TiO2屬于單一的銳鈦礦型。

（2）溶膠-凝膠法自制的納米TiO2在紫外區(qū)域具有選擇吸收，對其進行S-N摻雜后，提高了其紫外吸收性能，并且提高程度隨摻雜比例的不同而不同。

（3）溶膠-凝膠法自制的S-N共摻納米TiO2具有較小的尺寸，粒徑在18nm以內(nèi)，具有很好的分散性能且較穩(wěn)定。

參考文獻：

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篇10

1納米技術(shù)及納米材料

1.1納米技術(shù)

納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末誕生且正在崛起的新技術(shù)，主要是在0.1-100nm尺度范圍內(nèi)，研究物質(zhì)組成的體系中電子、原子和分子運動規(guī)律與相互作用，其研究目的是按人的意志直接操縱電子、原子或分子，研制出人們所希望的、具有特定功能的材料和制品。納米科技將成為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流，它不僅是信息技術(shù)、生物技術(shù)等新興領(lǐng)域發(fā)展的推動力，而且因其具有獨特的物理、化學(xué)、生物特性為涂料等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的機遇。

1.2納米材料

納米材料主要由納米晶粒和晶粒界面兩部分組成，其晶粒中原子的長程有序排列和無序界面成分的組成后有大量的界面（6×1025m3/10nm晶粒尺寸），晶界原子達(dá)15%～50%，且原子排列互不相同，界面周圍的晶格原子結(jié)構(gòu)互不相關(guān)，使得納米材料成為介于晶態(tài)與非晶態(tài)之間的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)[1]。狹義上，納米材料是指粒徑在0.1-100nm范圍內(nèi)的或具有特殊物理化學(xué)性能的材料。廣義上，納米材料是指在三維空間中至少有一維長度在0.1-100nm范圍內(nèi)的或具有納米結(jié)構(gòu)的材料。按化學(xué)組成可分為:納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復(fù)合材料等。由于納米材料具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和一些奇異的光、電、磁等性能，將其用于涂料中后，除了可以改性傳統(tǒng)涂料外，更為重要的是可以制備各種功能涂料，如具有抗輻射、耐老化、抗菌殺菌、隱身等特殊功能的涂料。

2納米材料在涂料領(lǐng)域中的應(yīng)用

現(xiàn)階段納米材料在涂料中的應(yīng)用主要為兩種情況[2]：（1）納米材料經(jīng)特殊處理后，添加到傳統(tǒng)涂料中分散后制成的納米復(fù)合涂料（Nanocompositecoating），使涂料的各項指標(biāo)均得到了顯著的提高。將納米離子用于涂料中所得到的一類具有抗輻射、耐老化、具有某些特殊功能的涂料稱為納米復(fù)合涂料。（2）完全由納米粒子和有機膜材料形成的納米涂層材料，通常所說的納米涂料均為有機納米復(fù)合涂料。目前，用于涂料的納米粒子主要是某些金屬氧化物（如TiO2、Fe2O2、ZnO等）、納米金屬粉末（如納米Al、Co、Ti、Cr、Nd等）、無機鹽類（CaCO3）和層狀硅酸鹽（如一堆的納米級粘土）[3]。

2.1納米TiO2在涂料中的應(yīng)用

2.1.1隨角異色效應(yīng)

由于納米二氧化鈦晶體的粒徑大約是普通鈦白粉的1/10，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于可見光的波長，本身具有透明性，又對可見光具有一定程度的遮蓋，透射光在鋁粉表面反射與在納米二氧化鈦表面反射產(chǎn)生了不同的視覺效果。到1991年，全世界已有11種含超細(xì)二氧化鈦的金屬閃光漆。目前，福特、克萊斯樂、豐田、馬自達(dá)等許多著名的汽車制造公司都已使用含有超細(xì)二氧化鈦的金屬閃光漆[4]。

2.1.2抗老化性能

提高材料抗老化性能的傳統(tǒng)方法是添加有機紫外線吸收劑，納米TiO2粒子是一種穩(wěn)定的、無毒的紫外光吸收劑。因為用作涂料基料的高分子樹脂受到太陽中紫外線的長期照射會導(dǎo)致分子鏈的降解，影響涂膜的物理性能，因此若能屏蔽太陽光中的紫外線，就可大幅提高漆膜的耐老化性能。郭剛[5]等研究發(fā)現(xiàn)利用金紅石型納米TiO2優(yōu)異的紫外線屏蔽性能改性傳統(tǒng)耐候型聚酯——TGIC粉末涂料可以大幅度地提高其耐老化性能。

2.1.3抗菌殺毒

納米TiO2有抗菌殺毒作用，用于涂料是涂料發(fā)展中的一個重大成就。納米二氧化鈦具有高的光催化性，在紫外光的照射下能分解出自由移動的帶負(fù)電的電子e-和帶正電的空穴h+形成電子——空穴對，該電子——空穴對能與空氣中的氧和H2O發(fā)生作用，通過一系列化學(xué)反應(yīng)形成原子氧（O）氫氧自由基（OH），這種原子氧和氫氧自由基具有很高的化學(xué)活性，能與細(xì)菌中的有機物反應(yīng)生成二氧化碳和水，從而達(dá)到殺滅細(xì)菌的作用。[6]

納米TiO2的抗菌殺毒作用已成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點。日本已有不少企業(yè)開發(fā)出納米TiO2光催化涂料并實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。目前，由于國內(nèi)對于納米TiO2的研究大多還處于實驗階段，在涂料性能的提高和完善方面還有大量的工作要做，因此，對納米涂料的研究要不斷深入，以提高我國涂料的工業(yè)水平，推動納米涂料的發(fā)展和應(yīng)用。

2.2納米SiO2在涂料中的應(yīng)用

納米SiO2具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擁有龐大的比表面積，表現(xiàn)出極大的活性，能在涂料干燥時形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時增加了涂料的強度和光潔度，而且還提高了顏料的懸浮性，能保持涂料的顏色長期不變。在建筑內(nèi)外墻涂料中，若添加納米SiO2，可明顯改善涂料的開罐效果，涂料不分層，具有觸變性、防流掛、施工性能良好等優(yōu)點，尤其是抗沾污性能大大提高，具有優(yōu)良的自清潔能力和附著力。納米SiO2還可與有機顏料配用，可獲得光致變色涂料。

欲使納米SiO2材料在涂料中真正地得到廣泛應(yīng)用，須解決納米SiO2在涂料中的分散穩(wěn)定性問題。通常的做法是加入表面活性劑包裹微粒或反絮凝劑形成雙電層的措施。同時在分散時可配合使用超聲波分散。

2.3納米ZnO在涂料中的應(yīng)用

納米ZnO等由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優(yōu)點而成為吸波涂料研究的熱點之一。在陽光的照射下納米ZnO在水和空氣中具有極強的化學(xué)活性，能與多種有機物發(fā)生氧化反應(yīng)（包括細(xì)菌中的有機物），從而把大多數(shù)細(xì)菌和病毒殺死。ZnO也具有良好的紫外線屏蔽作用，粒徑60nm的ZnO對波長300-400nm的紫外線有良好的吸收和散射作用，因此可以作為涂料的抗老化添加劑。日本已經(jīng)開發(fā)出用樹脂包覆的片狀ZnO紫外線屏蔽劑[7]。在涂料中添加納米ZnO可改善它的抗氧化性能，使其具有抗菌性能。2.4納米氧化鐵在涂料中的應(yīng)用

納米氧化鐵作為顏料無毒無味，具有很好的耐溫、耐侯、耐酸、耐堿以及高彩度、高著色力、高透明度和強烈吸收紫外光的優(yōu)良性能，可廣泛用于高檔汽車涂料、建筑涂料、防腐涂料、粉末涂料，是較好的環(huán)保涂料。紫外線分解木材中的木質(zhì)素而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致木材老化，納米氧化鐵顏料分散于涂層中，由于顆粒直徑小不會散射光線、涂層成透明狀態(tài)且吸收紫外線輻射，起到保護木材的作用。左美祥[8]等研究發(fā)現(xiàn):在樹脂中摻入納米級的TiO2（白色）、Cr2O3（綠色）、Fe2O3（褐色）、ZnO等具有半導(dǎo)體性質(zhì)的粉體，會產(chǎn)生良好的靜電屏蔽性能。日本松下電器公司研究所據(jù)此成功開發(fā)了適用于電器外殼的樹脂基納米氧化物復(fù)合的靜電屏蔽涂料。與傳統(tǒng)的樹脂基碳黑復(fù)合的涂料相比，樹脂基納米氧化物復(fù)合涂料具有更為優(yōu)異的靜電屏蔽性能，而且后者在顏色選擇方面也更為靈活。用納米級Fe3O4與樹脂復(fù)合制成了磁性涂料，目前這方面的制備工藝已有所突破而進入產(chǎn)業(yè)化階段。

2.5納米CaCO3在涂料中的應(yīng)用

納米CaCO3作為顏料填充劑，具有細(xì)膩、均勻、白度高、光學(xué)性能好等優(yōu)點，隨著納米碳酸鈣的粒子微細(xì)化，填料粒表面的原子數(shù)目占整個總原子數(shù)目的比例增大，使粒子表面的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，到了納米級水平。填料粒子將成為有限個原子的集合體，表現(xiàn)出常規(guī)粒子所沒有的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，使納米材料具有一系列優(yōu)良的理化性能。它添加到涂料膠乳中，加強了透明性、觸變性和流平性。觸變性是納米CaCO3改善膠乳涂料各項性能的主要因素。同時能對涂料形成屏蔽作用，達(dá)到抗紫外老化和防熱老化的目的和增加涂料的隔熱性。

杜振霞[9]等研究表明:在納米CaCO3改性的涂料中，如果CaCO3固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時，涂料的粘度曲線存在低剪切稀化冪律特征區(qū)和高剪切牛頓兩個區(qū)域，而且有明顯的觸變性。當(dāng)乳膠漆聚合物乳液的粒徑為10-100nm，表面張力非常低，有極好的流平性、流變性、潤濕性與滲透性，表現(xiàn)超常規(guī)的特性。

2.6其它新型納米涂料

納米隱身涂料（雷達(dá)波吸收涂料）系指能有效地吸收入射雷達(dá)波并使其散射衰減的一類功能涂料。當(dāng)將納米級的羧基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末改性的有機涂料涂到飛機、導(dǎo)彈、軍艦等武器裝備上，可使這些裝備具有隱身性能，使它們在很寬的頻率范圍內(nèi)可以逃避雷達(dá)的偵察，同時也有紅外隱身作用。美國研制的超細(xì)石墨納米吸波涂料，對雷達(dá)波的吸收率大于99%，其他金屬超細(xì)粉末如Al，Co，Ti，Cr，Nd，Mo等，也具有很好的潛力。法國研制出一種寬頻微波吸收涂層，這種吸收涂層由粘結(jié)劑和納米材料、填充材料組成，具有很好的磁導(dǎo)率，在50MHz-50GHz范圍內(nèi)具有良好的吸波性能。我國也有相關(guān)的研究，如不同粒徑的Fe3O4在1-1000MHz頻率范圍對電磁波具有吸收性能，隨著頻率的增加，納米Fe3O4吸收能效增加，且納米粒徑越小，吸收效能越高。

3納米涂料研究中存在的技術(shù)問題

首先是納米材料在涂料中的穩(wěn)定分散問題。由于納米粒子比表面積和表面張力都很大，容易吸附而發(fā)生團聚，在溶液中將其有效地分散成納米級粒子是非常困難的。尋找合適的分散劑來分散納米材料，并采用合適的穩(wěn)定劑將良好分散的納米材料粒徑穩(wěn)定在納米級，是納米技術(shù)在涂料改性中獲得廣泛應(yīng)用必須解決的最關(guān)鍵問題。其次，納米材料加入量的適度問題。一般而言，納米材料的用量與涂料性能變化之間的關(guān)系曲線近似于拋物線，開始時隨著納米材料添加量的增加，涂料性能大幅度提高，到一定值后，涂料性能增幅趨緩，最后達(dá)到峰值：之后，隨著納米材料添加量的進一步增加，涂料的性能反而呈迅速下降的趨勢，同時也增加了成本。因此，做好對比試驗，選好納米材料添加量也十分關(guān)鍵。最后，必須開展納米涂料施工工藝的研究。納米涂料就本身而言只是一個半成品，只有施工完畢后才真正成為最終產(chǎn)品，而現(xiàn)實情況是人們大都將注意力集中在納米涂料產(chǎn)品本身，而忽略了施工工藝的研究，致使納米涂料無法達(dá)到其應(yīng)有的效果。