二氧化钛纳米线的水热法制备与温度对其晶型的影响

王勇

湖南农业大学应用物理系 长沙 410126

二氧化钛纳米线的水热法制备与温度对其晶型的影响

王勇

湖南农业大学应用物理系 长沙 410126

利用水热法制备二氧化钛纳米线，对样品进行退火处理，使用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对二氧化钛纳米线的形貌、成分进行分析表征。

二氧化钛；水热法；纳米线

10.3969/j.issn.1671-489X.2010.24.140

作者：王勇，讲师，在职硕士研究生，研究方向为纳米器件制备与表征、物理教育。

Author’s addressDepartment of Physics, Hunan Agricultural University, Changsha, China 410126

近年来，低维纳米材料的研究受到广泛重视，这主要是由于低维纳米材料具有比传统材料优异的性能和潜在的应用价值。二氧化钛（TiO2）是一种粉末状多晶型化合物，其具有许多优异的物理化学特性，例如稳定性高、无毒性、紫外光吸收性能好、生物生理稳定性高等[1]。随着纳米科技的快速发展，二氧化钛纳米材料的研究已成为纳米科技的一大焦点。水热法是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应介质，对反应体系加热，在反应体系中产生一个高温高压的环境而进行无机合成[2]。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

国产分析纯二氧化钛粉末、氢氧化钠、盐酸、无水乙醇；退火炉、内衬聚四氟乙烯的高压反应釜、X射线衍射仪、飞利浦FEI—XL30扫描电子显微镜。

1.2 二氧化钛纳米线的制备

称量12.0 g氢氧化钠，投入干净的三角烧瓶中，再倒入去离子水直到30 ml，使其充分溶解形成10 mol/L的浓碱溶液，下面简写为12 g-30 ml；称取0.5 g（或0.3 g）二氧化钛纳米颗粒粉，投入上述三角烧瓶中令其与碱溶液混合；倒入无水乙醇直到整个混合液约60 ml；投入磁力棒，盖上塞子，置于磁力搅拌器之上，充分搅拌，大约需1个小时。将搅拌充分的混合液体注入聚四氟乙烯衬套中，然后塞入不锈钢反应釜中，密封。将反应釜置于电热恒温鼓风干燥箱，设置反应温度为240 ℃，时间为24小时，开始反应。结束后，任其自然冷却。用盐酸和去离子水洗涤直到其pH值为7。过滤所得产物，再恒温干燥，收集样品。

1.3 样品热处理

由于溶液方法生长的晶体成分复杂，同时存在金红石与锐钛矿等多种相，而且晶格畸变与应力的存在不利于进一步的研究工作，决定采用热处理（退火）的手段来改善晶型。在热处理实验当中，使用CVD（化学气相沉积法）炉实现高温退火。为了防止各种杂质气体对实验环境的破坏，先将样品密封在石英管中，然后通过与真空泵相连的管道将其抽成真空，并通入保护气体（氩气）清洗数次。数控装置控制下的加温区达到预定温度后稳定一段时间，停止加热，使其在气流保护下自然冷却。

1.4 分析测试

采用荷兰PANalytical公司XPert PRO X射线衍射仪衍射实验样品，CuKet靶（λ＝0.154 06 nm），工作电压40 kV，工作电流40 mA，扫描范围为l0°～80°，扫描速率为0.05°/s。用飞利浦XL30扫描电子显微镜观测样品的表面形貌，加速电压为10 kV。

2 结果与讨论

图1是一组不同实验条件下制备的二氧化钛纳米晶体在扫描电子显微镜（SEM）下的形貌照片。图1（a）（b）和（c）显示的是12 g-30 ml-0.3 g条件下得到的晶体形貌，从图中不难发现，在这种方案指导下，生长得到的基本上都是微小的一维结构，直径多为几十纳米，长度以数微米为多，长径比差异不大。图1（d）则是12 g-30 ml-0.5 g条件下的产物，可以观察到两种条件下所得晶体的差异，后者的长径比明显要小，而且长度和线性都不及前者。这说明在生长源相对缺少的时候，晶体的各向差异性表象得更为突出，这有利于一维结构的调控，如果投入的物料过多，造成源过剩，则可能在短时间内同时在晶体的各个方向上都快速堆积原子，不可能在特定方向上诱导出线性较强的晶体形貌。

图2所示的样品SEM图像。其中（a）（b）（c）（d）依顺序分别是在600 ℃、700 ℃、800 ℃、1 000℃温度条件下退火获得的产物，可以看到温度不断升高时，由于在纳米尺度下物质的宏观性质发生巨大变化，实验制得的晶体的熔点与常规条件下的二氧化钛相比，已经降低不少，二氧化钛纳米晶体开始出现融化的趋势；当温度超过800 ℃时，晶体的线性基本被破坏，变成树枝状的形貌结构，而且体积明显变大，已经不能称之为纳米线。

图3是二氧化钛在不同温度下退火处理的样品的XRD谱，a、b分别是500 ℃和600 ℃制备的样品的谱线，可以看出基本上是锐钛矿结构的峰，与JCPD（04-0477）标准卡相符合；当温度升高到700 ℃，逐渐出现金红石相；至900 ℃时主要是金红石相，在27.45°和36°等多处出现新的衍射峰，应归属于金红石相的（110）和（101）衍射峰[3][JCPDS（No.211276）]，说明已出现金红石相且为四方晶体；c、d和e表明锐钛矿和金红石两相共存，并且随着热处理温度的提高锐钛矿相衍射峰有所增强，但金红石相衍射峰增强显著。

3 结论

在水热法合成二氧化钛纳米线的实验过程中，通过控制二氧化钛纳米粉末的投入量从而实现对二氧化钛纳米线微结构的精确控制。在不同温度下退火处理的样品的XRD谱显示，随着热处理温度的提高，锐钛矿相衍射峰有所增强，但金红石相衍射峰增强显著。

[1]Kumar A, Jose R, Fujihara K, et al. Structural and Optical Properties of Electrospun TiO2Nanofibers[J].Chem. Mater.,2007,19(26):6536-6542

[2]Holman K T, Pivovar A M, Swift J A, et al. Metric Engineering of Soft Molecular Host Frameworks[J].Acc. Chem. Res.,2001,34(2):107-118

[3]梁建,马淑芳,韩培德,等.二氧化钛纳米管的合成及其表征[J].稀有金属材料与工程,2005,34(2):287-290

Preparation of TiO2Nanowires Using Hydrothermal Synthesis Method and Impact of Temperature on Crystal

Wang Yong

TiO2nanowires were prepared by hydrothermal synthesis method，The samples were annealed，the structure and the morphologies of the TiO2nanowires were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM).

TiO2; hydrothermal synthesis method; nanowires

TB383

B

1671-489X(2010)24-0140-02