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纳米二氧化钛粉体在水中的分散行为


第5期 2003 年 5 月















ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS

Vol.22 No.5 M a y 2003

研究与试制
R & D



纳米二氧化钛粉体在水中的分散行为
孙秀果 1,魏 雨 2,贾振斌 2
(1.石家庄铁道学院材料科学与工程系,河北 石家庄 050043;2.河北师范大学化学学院,河北 石家庄 050016) 摘要:为使纳米 TiO2 在水溶液中良好稳定地分散,采用透光率法对粒径约为 30 nm 的锐钛型 TiO2 粉体在水溶液中 分散行为进行了研究,并对其进行粒度分布, 电位的测定.实验结果证明:加入量为二氧化钛质量 0.8%的硅酸钠作 为分散剂,调节 pH 值为 8~10,超声分散约 10 min 可以使纳米二氧化钛在水溶液中获得良好稳定的分散.通过测定分 散相在分散介质中的 电位,验证了 pH 值影响纳米 TiO2 粉体在水中的分散行为. 关键词:二氧化钛;纳米粒子;分散性 中图分类号: O 612.4 文献标识码:A 文章编号:1001-2028(2003)05-0011-03

Dispersion Behavior of Nano-titania Powder in Aqueous Solution
SUN Xiu-guo1, WEI Yu2, JIA Zhen-bin2
(1. Department of Material Science and Engineering, Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang 2. College of Chemistry, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016, China) 050043, China;

Abstract: The factors that influence the dispersion behavior of nano-titania in aqueous solution were investigated by spectrophotometry. By ultrasonic treatment for 10 min, nano-titania can be dispersed well and stably in aqueous solution when Na2SiO3 used as dispersant (0.8% of TiO2 in mass) and pH 8~10. The measured zeta potential of the particles in aqueous solution has confirmed the effect of pH on dispersion behavior. Key words: TiO2; nanometer-particles; dispersibility

在多相光催化中, 纳米锐钛矿型 TiO2 粉体由于具 有无毒,催化活性高,稳定性好以及抗氧化能力强等 优点而倍受青睐[1~2].近年来,纳米 TiO2 粒子的制备 和应用的研究已受到人们的极大关注[3~6]. 但由于纳米 TiO2 颗粒的比表面积大,在制备,后处理和应用过程 中极易发生团聚, 会严重影响纳米 TiO2 的应用及催化 性能.因此,对纳米 TiO2 粉体进行表面改性及包覆处 理是必要的,如表面包硅或包铝都是在水溶液中进行 的,只有首先实现纳米 TiO2 的单分散,才能对其颗粒 表面进行均匀的包覆改性.如果分散不良,会造成包 膜时颗粒表面涂膜不均匀,甚至有些颗粒涂覆不到, 达不到包膜作用,影响产品的应用性能.因此,研究 如何改善纳米二氧化钛在水溶液中的分散是十分必要 的.本文的主要目的是对影响分散的各个因素进行系 统的探索,找出合适的分散条件,为包膜工作做好准 备.评估分散效果的方法很多,如测分散相的沉降高 度,分散后颗粒的粒度分布,接触润湿角以及 TEM

检测[7~8]等.笔者采用透光率法,对粒径为 20~30 nm 的锐钛矿型 TiO2 粉体在水中的分散行为进行了研究, 获得了一些有意义的结果.

1

实验

1.1 纳米 TiO2 粉体的制备 将一定量 TiCl4 溶于水中首先制得 TiOCl2 溶液, 2在微量添加剂(SO 4 )作用下,沸腾回流 4~5 h,沉淀 过滤水洗 3~5 次,滤饼在 100℃烘干约 10 h,即得纳 米二氧化钛粉体. 使用 XRD 和 TEM 分别对所得粉体 进行表征.证明为纯锐钛矿型 TiO2,粒径约 30 nm. 1.2 纳米 TiO2 在水中的分散 将制得的纳米 TiO2 粉体分散于去离子水中, 其固 液比分别为 3∶100,1.5∶100,0.5∶100,置于超声 波清洗器中进行超声分散,在波长为 510 nm 处,用 7220 型分光光度计测定体系的透光率–时间关系, 根 据其透光率随时间的变化情况分析固液比对纳米

收稿日期:2002-11-17 修回日期:2002-12-16 基金项目:河北省自然科学资助项目(501115) 作者简介: 孙秀果 (1970–) 女, , 河北张家口人, 石家庄铁道学院材料科学与工程系助教, 硕士, 主要从事纳米材料方面的研究. (0311) Tel: 6850232; E-mail:sunxiuguo@hotmail.com .

12

电 子 元 件 与 材 料

2003 年

TiO2 分散的影响.另外,用该法还对添加分散剂,pH 值及超声功率对纳米 TiO2 分散的影响进行了研究.

T/%

2

结果与讨论

图 1 示出了利用 TiOCl2 溶液直接水解所得的纳米 TiO2 粒子的 TEM 照片.取 极少量 TiO2 粉末均匀分散于 水中, Z—3000 Zeta 电位 用 与粒度分布仪进行测定,得 出粉末粒度的分布结果.图 图 1 纳米 TiO2 粒子的 TEM 照片 2 为所得的纳米 TiO2 粉末的 Fig.1 TEM photograph of TiO2 粒度分布曲线,可以看出利 nanoparticles by forced hydrolysis of TiOCl2 solution 用该法制备的 TiO2 颗粒为球 40 形,粒径分布较 35 窄,平均粒径约为 30 30 nm.图 3 为样 25 20 品的 XRD 图谱, 15 与锐钛矿型 TiO2 10 标准图谱一致,证 5 0 明该产物为锐钛 20 40 粒径(60 80 100 nm) 矿型. 粒径 / nm 图 2 TiO2 粉末粒度分布曲线 将定量的样 Fig.2 The curve of TiO2 particle size distribution 品通过超声作用 分别分散于水中 形成相对稳定的 悬浮液体系, 当一 20 30 40 50 60 70 2θ / (°) 束波长为λ的光 图 3 纳米 TiO2 的 XRD 图谱 入射到该体系时, Fig.3 XRD graph of TiO2 nanoparticles 体系对于入射光 的作用满足朗伯–比尔定律: A = εm b CS (1) A = –lgT (2) 则 lgT = –εm b CS 公式(1) (2)中:εm 为摩尔吸光系数;b 为样品池的 厚度;CS 为待测液的浓度;A 为吸光度;T 是透光率. 在相同的实验条件下,b,εm 相同,那么,体系的透 光率对数与体系中的纳米粒子的浓度 C 成反比例关 系.随着浓度增加,透光率减小.如透光率不再减小, 认为分散已基本完全.实验具体过程是在不同条件下 超声分散 TiO2 浆液,然后用同一滴管吸取 0.15 mL 相 对稳定的悬浮液定容于 25 mL 的容量瓶中(保证浓度 很稀,符合朗伯–比尔定律的条件) ,摇匀,测其透光 率(T)值,从而进行比较. 图 4 给出不同固液比在超声分散时,测得的透光
40 35 30 25 20 15 10 5 0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 率随时间的变 90 0.5:100 化.随着固液比 80 70 的增加,超声分 1.5:100 60 散完全的时间相 50 40 3:100 应延长.如固液 30 比为 1.5:100,超 20 5 15 25 35 45 55 65 75 85 声分散 50 min 可 t / min 图 4 不同固液比时透光率随时间的变化 使其完全分散, Fig.4 Transmittance-time relation curves of different solid/water ratio 但 固 液 比 为 3:100 时,分散完全的时间需在 1 h 以上. 由于纳米粉体团聚的固有特性, TiO2 浆液中适 在 量添加分散剂, 100 95 在颗粒表面形 90 成双电层, 提高 85 80 斥力势能, 可缩 75 短分散时间. 如 70 65 1.5 g TiO2 粉 60 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 体,分散于 100 mL 图 5 分散剂的加入量对 TiO2 分散的影响 mL 水中,添加 Fig.5 Effect of added dispersant on ultrasonic dispersion of TiO2 0.1 mol/L 的硅 酸钠 1.0 mL,超声分散 10 min 可达到未加分散剂 40 min 的透光率(T)值.图 5 示出了透光率随分散剂的 加入量变化的关系曲线.可以看出,适量的分散剂才 能起到分散的作用. 当硅酸钠的加入量在 0.1~1.0 mL 时,由于 Na+离 子在 TiO2 表面吸附并形成双电层, 使粒子之间发生团 聚的引力大大降低,可达到快速分散的目的.另一方 面,对带负电的 TiO2 分散体,添加拥有较大阴离子的 硅酸钠作为分散剂,可使|ζ|电位增大,从而提高其分 散性.根据公式
100 90 80 70 60 50 40 30 20 T/% 0.5:100 1.5:100 3:100 5 15 25 35 45 55 65 75 85 t/min
100 95 90 85 80 75 70 65

个数比 / %

个数比 ( %)

T/%

T/%

60 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

ml

2 2 k = ( 2e N A CZ

1

k BΘ ε

)2

可知(式中:k 表示双电层的扩展程度,1/k 称为双电 层的厚度)[9],随着硅酸钠的浓度的增加,形成的双 电层的厚度 1/k 反比于 C ,所以硅酸浓度太大时, 使双电层变薄,导致颗粒重新聚集.式中:ε 为介电 常数;e 为电子电荷;Z 为原子价;NA 为阿伏加德罗常 数;C 为强电解质(硅酸钠)的浓度;Θ 为热力学温 度;kB 为一常数. 取 1.5 g TiO2 粉体, 分散于 100 mL 水中, 添加 0.1 mol/L 的硅酸钠 1.0 mL,在不同的 pH 值下超声分散 10 min, 按上述方法测其透光率. 6 给出了 pH 值对 图 纳米 TiO2 粉体在水中分散的影响.可以看出,pH 值 为 8 至 10 时,其透光率值基本相同,说明纳米 TiO2 在该 pH 范围内均可短时间获得良好的分散.

第 5 期

孙秀果等:纳米二氧化钛粉体在水中的分散行为

13

90 85 80 75 70 65 60 8.0

9.0 10.0 10.5 11.0 pH 图 6 pH 值对 TiO2 纳米粉体分散性的影响 Fig.6 Effect of pH value on ultrasonic dispersion of TiO2 nanopowder 101 0 00

8.5

9.0

-10 –10 -20 –20 -30 –30 -40 –40 -50 –50

图7 Fig.7

9 10 11 12 pH pH pH 值对 TiO2 颗粒表面 电位的影响 The pH value dependence of -potential of TiO2

5

5

6

6

7

7

8

8

9

10

11

12

TiO2 的 电 位如图 7 所示, pH 值在 8~10, 电位的绝对值较 大, 颗粒的 电位 绝对值越大,由 颗粒的双电层产 生的斥力越大, 有利于分散,其 分散性能越好. 这与分光光度法 测定的结果是一 致的. 另外,实验 发现超声分散 时,功率越大,

直观,省时而且准确度较好.尤其在有限的实验条件 下该法更为方便. (2)固液比为 1.5∶100 纳米 TiO2 粉体在水中分 散时, 加入量为二氧化钛质量 0.8%的硅酸钠作为分散 剂,调节 pH 值为 8~10,超声分散 10~20 min 可获得 良好分散.

T/%

参考文献:
[1] 范崇政, 肖建平, 丁建伟, 等. 纳米 TiO2 的制备与光催化反应研究进展 [J]. 科学通报, 2001, 46(4): 256–273. [2] Linsebigler A L, Lu G Q, Yates J T. Photocatalysis on TiO2 surfaces: principles, mechanism, and selected results [J]. Chem Rev, 1995, 95(3): 735–758. [3] 魏雨, 张艳峰, 韩梅娟, 等. TiOCl2 溶液合成异形 TiO2 纳米粉及形成机 理研究 [J]. 化学学报, 2001, 59(9): 1424–1429. [4] Yamazaki S, Matsunaga S, Hori K. Photocatalytic degradation of trichloroethylene in water using TiO2 pellets [J]. Water Res, 2001, 35(4): 1022–1028. [5] Hong Kyu Park, Kim Do Kyung, Kim Chong Hee. Effect of solvent on titania particle formation and morphology in thermal hydrolysis of TiCl4 [J]. J Am Ceram Soc, 1997, 80(3): 743. [6] Ito Seishiro, Shigeto Inoue, Hiromi Kawada, et al. Low-temperature synthesis of nanometer-sized crystalline TiO2 particles and their photoinduced decomposition of formic acid [J]. Colloid Interface Sci, 1999, 216(1): 59–64. [7] 崔爱莉, 王亭杰, 何红, 等. 超细二氧化钛粉末在水溶液中的分散 [J]. 过程工程学报, 2001, 1(1): 99–101. [8] 谭立新, 蔡一湘. 超细粉体粒度分析的分散条件比较 [J]. 中国粉体技 术, 2000, 6(1): 23–25. [9] 张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构 [M]. 北京: 科学出版社, 2001. 98. (编辑:朱盈权)

电位/ mV

相应分散完全需用时间越短.

ζ (mV)

3

结论

(1) 笔者采用分光光度计测定透光率来评估纳米 TiO2 粉体在水中的分散行为,与其他方法比较,该法 (上接第 10 页)

5

结论与讨论

(1) 经过悉心研究与精心设计, 提出了一系列适 用于通信工程中的 BiCMOS 逻辑门电路的设计方案, 并提出了它们的传输延迟时间和其它一些元器件参数 的估算式.笔者通过理论上和工艺设计上的分析,说 明 了 所 设 计 电 路 均 可 采 用 CMOS 工 艺 , 双 极 型 (Bipolar)工艺和深亚微米技术,在元器件和电路的 工艺制作上予以实现. (2) 仿真试验和部分硬件电路实验数据进一步表 明了,文中所设计的 BiCMOS 门在电源电压等级,功 耗和速度性能方面明显优于 CMOS 门和 TTL 门,主 要原因是它们均以 CMOS 器件作为主要部分,上拉/ 下拉推拉式输出级中 BJT 器件轮番导通,理论上静态 功耗为零,而且经过精心设计电路和制作器件,所有 这些电路均可在较低电压(2.0~3.0 V)下低功耗,高 速, 全摆幅运行, 并且传输延迟时间可做到小于 CMOS 产品的 1/2 以上,功耗仅略大于 CMOS 产品.因此这 种高性能的新电路十分适宜于高速数字通信系统中使 用.但在实验中笔者注意到,本文所提出的 BiCMOS 门电路的极低电压性能还不够理想,一般不宜使用在 VDD=2.0V 以下,所以极低电压 BiCMOS 门电路是课 题组今后的研究方向之一. (3)由于所提出的 BiCMOS 电路是高性能的,所

以完全适用于电子通信器材产品,便携式数字产品(例 如通信处理单元, 信源编码电路, 数字信号检测和估计, 分析和处理电路等)以及通信工程中其它 VLSI,ASIC 应用场合.此外,文中部分电路使用时还可进行逻辑功 能扩展,例如图 5BiCMOS 与非门,或非门,其输入端 可进行扩展,但输入端数(即扇入系数)不宜大于 3; 当扇出系数较大时, 这些 BiCMOS 与非门, 或非门的优 点明显,如当扇出系数≥4 时,它们的带电容负载能力 已优于 CMOS 门.另外,图 6 全摆幅 BiCMOS 反相器 可改接成全摆幅 BiCMOS 与非门,或非门等.

参考文献:
Hayashi T, Doi T, Asai M, et al. The SDC cell-a novel design methodology for high-speed arithmetic modules using CMOS/BiCMOS precharged circuits [J]. IEEE J Solid-State Circuits, 1990, 25(4): 430–409. [2] Kuo J B, Liao H J, chen H P. A BiCMOS dynamic carry look-ahead adder circuits for VLSI implementation of high speed Arithmetic unit [J]. IEEE J Solid-State Circuits, 1993, 28(3): 375–378. [3] Hiraki M, Yano K, Minami M, et al. A 1.5V full-swing BiCMOS logic circuit [J]. IEEE J Solid-State Circuits, 1992, 27(11): 1568–1573. [4] Chen C L. 2.5V bipolar/CMOS circuits for 0.25 m BiCMOS technology [J]. IEEE J Solid-State Circuits, 1992, 27(4): 485–491. [5] Yano K, Hiraki M, shukuri S, et al. Quasi-complementary BiCMOS for sub-3V digital circuits [J]. IEEE J Solid-State Circuits, 1991, 26(11): 1708–1719. [6] Ritts R, Raje P A, Plummer J D, et al. Merged BiCMOS logic to extend the CMOS/BiCMOS performance crossover below 2.5V supply [J]. IEEE J Solid-State Circuits, 1991, 26(11): 1606–1614. [7] 成立, 李彦旭, 董素玲, 等. 高速低压低功耗 BiCMOS 逻辑电路及其 工艺技术 [J]. 电子工艺技术, 2002, 23(1): 24–27. [8] 成立. 基于 BiCMOS 技术设计的 CS/VR 电路 [J]. 固体电子学研究与 进展, 1998, 18(4): 373–378. [9] 成立, 李彦旭, 李春明, 等. 开发 LSI DAC 新品的技术综述 [J]. 半导 体技术, 2001, 26(6): 1–3, 6. [10] 成立, 李彦旭, 董素玲, 等. BiCMOS 三态输出门电路的设计,制备 及应用 [J]. 半导体技术, 2002, 27(8): 50–54. (编辑:尚木) [1]


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