¿Cuál es la relación entre el dióxido de titanio y el dióxido de titanio?
Los métodos físicos para preparar polvo de nanodióxido de titanio incluyen principalmente pulverización catódica, evaporación térmica y evaporación láser. La preparación de nanopartículas por métodos físicos es el método más antiguo. Sus ventajas son que el equipo es relativamente simple, fácil de operar, las partículas son fáciles de analizar y se pueden preparar partículas de alta pureza, así como películas y recubrimientos. Su producción es grande, pero su costo es alto.
2.2 Métodos químicos
Los métodos químicos para preparar polvo de nanoóxido de titanio incluyen principalmente el método en fase líquida y el método en fase gaseosa. Los métodos en fase líquida incluyen el método de precipitación, el método sol-gel y el método de microemulsión W/O. El método en fase gaseosa incluye principalmente el método de oxidación en fase gaseosa de TiCl 4. El método en fase líquida tiene un ciclo de reacción largo y una gran cantidad de tres desechos. Aunque primero se pueden obtener partículas amorfas y la transformación cristalina se produce a altas temperaturas, el proceso de calcinación conduce fácilmente a la sinterización o aglomeración de partículas. El método de oxidación en fase gaseosa tiene las características de bajo costo y amplia fuente de materias primas. Puede formar rápidamente partículas de TiO2 de anatasa, rutilo o cristales mixtos. Tiene un posprocesamiento simple y un alto grado de continuidad. Sin embargo, este método requiere mayor tecnología y equipamiento.
2.2.1 Preparación de dióxido de titanio nanométrico mediante método de precipitación uniforme
La precipitación y formación de nanopartículas a partir de la fase líquida implica dos procesos: uno es el proceso de nucleación, llamado proceso de nucleación ; el otro es el proceso de crecimiento nuclear, llamado proceso de crecimiento. Cuando la tasa de nucleación es menor que la tasa de crecimiento, favorece la producción de partículas grandes y pocas gruesas; cuando la tasa de nucleación es mayor que la tasa de crecimiento, favorece la formación de nanopartículas. Por lo tanto, para obtener nanopartículas, es necesario asegurar que la tasa de nucleación sea mayor que la tasa de crecimiento, es decir, asegurar que la reacción se desarrolle en un estado de sobresaturación alto.
El método de precipitación uniforme para preparar nano-TiO 2 consiste en liberar lenta y uniformemente OH- del Co(NH2)2 en la solución. Los principios básicos incluyen principalmente las siguientes reacciones:
CO(NH2)2 3h2o = 2NH 3 H2O CO2 ↑NH 3 H2O = NH4 OH-TiO 2 2OH-= TiO(OH)2↓TiO(OH) 2 = TiO 2 H2O
En este método, el precipitante agregado a la solución no reacciona directamente con TiOSO 4, sino que genera lentamente precipitados en toda la solución a través de reacciones químicas. Agregar precipitante directamente a la solución puede causar fácilmente que la concentración local del precipitante sea demasiado alta, lo que hace que el precipitado contenga impurezas. En el método de precipitación homogénea, dado que el precipitante se genera lentamente a través de una reacción química, siempre que se controle la velocidad de generación del precipitante, se puede evitar la concentración desigual y se puede controlar la sobresaturación dentro de un rango apropiado, controlando así la tasa de crecimiento. de las partículas se puede reducir para obtener nanopartículas con un tamaño de partícula uniforme y denso, fácil de lavar y de alta pureza. Este método tiene un bajo costo de producción, un proceso de producción simple y es conveniente para la producción industrial.
Método sol-gel
El método sol-gel es un método importante para preparar nanopolvos. Tiene sus ventajas únicas. En su reacción, los componentes se mezclan intermolecularmente, por lo que el tamaño de partícula del producto es pequeño y la uniformidad alta. El proceso de reacción es fácil de controlar y se pueden obtener algunos productos que son difíciles de obtener por otros métodos. Además, la reacción se realiza a baja temperatura, evitando la aparición de impurezas a alta temperatura, y la pureza del producto es alta. Sin embargo, la desventaja es que el método sol-gel utiliza alcóxido metálico como materia prima, lo que tiene un alto costo y un largo flujo de proceso, y el polvo es propenso a una fuerte aglomeración después del posprocesamiento. Utilizando alcóxido de titanio como materia prima, se preparó polvo nanométrico de dióxido de titanio mediante el método sol-gel. Primero, se forma un sol transparente mediante hidrólisis y policondensación, y luego se agrega una cantidad adecuada de agua desionizada para transformarlo en una estructura de gel. Después de envejecer durante un período de tiempo, el gel se coloca en un horno para que se seque. Después de convertirse completamente en un xerogel, se puede obtener un polvo uniforme de nanodióxido de titanio moliéndolo y calcinándolo. Las reacciones químicas relevantes son las siguientes: en el método sol-gel, la estructura del producto final se forma inicialmente en la solución y el proceso posterior está directamente relacionado con las propiedades del sol, por lo que la calidad del sol es muy importante. La hidrólisis y polimerización por condensación de alcóxido es la razón fundamental para la transformación de una solución homogénea en sol. Controlar las condiciones de despolimerización de alcóxido es la clave para preparar un sol de alta calidad. Por tanto, la elección del disolvente es un requisito previo para la preparación del sol.
Al mismo tiempo, el valor del pH de la solución tiene un impacto en la formación y aglomeración de coloides, la cantidad de agua agregada afectará la estructura de la despolimerización de la sal de alcoholato, el tiempo de envejecimiento cambiará el estado de crecimiento de los granos de cristal y Los cambios en la temperatura de calcinación afectarán la estructura de fases del polvo y el tamaño de las partículas. En resumen, en el proceso de preparación de polvo de TiO 2 mediante el método sol-gel, existen muchos factores que afectan la formación y el rendimiento del polvo. Por lo tanto, para obtener polvo de nanodióxido de titanio con un rendimiento excelente, las condiciones del proceso deben controlarse estrictamente.
2.2.3 Método de microemulsión inversa o micela W/O
El método de microemulsión inversa o micela W/O es un nuevo método desarrollado en los últimos diez años. Este método tiene un equipo simple, fácil operación, puede controlar artificialmente el tamaño de las partículas sintetizadas y tiene ventajas únicas en la preparación de partículas ultrafinas, especialmente nanopartículas. Las micelas inversas se refieren a una estructura de partículas líquidas en la que la cabeza polar hidrófila mira hacia adentro y la cadena hidrófoba mira hacia afuera cuando el tensioactivo se disuelve en un solvente orgánico y la concentración excede la CMC (concentración micelar crítica). El núcleo de la micela inversa puede solubilizar moléculas de agua y formar núcleos de agua con un tamaño de partícula inferior a 100? Cuando el tamaño de partícula está entre 100 y 2000 nm, se denomina microemulsión W/O. El sistema de micela inversa o microemulsión está compuesto generalmente por tensioactivo, cotensioactivo, disolvente orgánico y H2O. Es un sistema termodinámicamente estable, y su núcleo de agua equivale a un "microrreactor". Este "microrreactor" tiene una gran interfaz en la que se pueden disolver varios compuestos, lo que lo convierte en un muy buen medio de reacción química. El tamaño del núcleo de agua de las micelas inversas o microemulsiones está determinado por la cantidad de agua solubilizante, que aumenta a medida que aumenta el contenido de agua. Por lo tanto, cuando se preparan partículas ultrafinas mediante reacciones químicas en núcleos de agua, el tamaño de partícula final estará controlado por el tamaño del núcleo de agua porque los reactivos están confinados en el núcleo de agua. El dióxido de nanotitanio se prepara mediante el método de microemulsión o micela inversa, que utiliza TBP (tributilfosfato) como agente de extracción y queroseno como diluyente para extraer iones metálicos de titanio a temperatura ambiente. Al mismo tiempo, se controlan las condiciones para su formación. una solución de micela inversa de la fase orgánica. Extraiga la solución con agua con amoníaco, controle la cantidad y concentración de agua con amoníaco y obtenga polvo de dióxido de titanio nanométrico después de lavar, secar y tostar el precipitado resultante. Los métodos de microemulsión o micela inversa pueden utilizar el tamaño de la micela para controlar el tamaño de las partículas, lo que tiene ventajas potenciales en la preparación de nanopartículas. Pero este método acaba de comenzar y todavía queda mucha investigación básica por hacer. Es necesario explorar la relación entre el tipo y la microestructura de las micelas inversas o microemulsiones y la selectividad de la preparación de partículas, y es necesario descubrir más micelas inversas o sistemas de microemulsiones nuevas para la síntesis de partículas ultrafinas.
2.2.4 Método de oxidación en fase gaseosa de TiCl 4
El método de oxidación en fase gaseosa de TiCl_4 es un método típico para preparar nano TiO_2 mediante el método en fase gaseosa. En este método, se utiliza nitrógeno como gas portador de TiCl_4, oxígeno como oxidante, la reacción de oxidación se lleva a cabo en un reactor tubular de aerosol de alta temperatura y se obtiene polvo de nano-TiO_2 después de la separación gas-sólido. Durante este proceso, el tiempo de residencia y la temperatura de reacción tienen un impacto en el tamaño de las partículas y la forma cristalina del TiO2. El principio de reacción: en un reactor de fase gaseosa, el consumo de reactivos tiene un mayor impacto en la tasa de nucleación de partículas que en la tasa de crecimiento, porque la tasa de nucleación es más sensible a la sobresaturación del monómero producto en el sistema. A medida que avanza la reacción, la sobresaturación disminuye rápidamente. La nucleación es dominante en la etapa inicial de la reacción, la nucleación se detiene en la etapa posterior de la reacción y el crecimiento superficial es dominante. Por lo general, la velocidad de reacción es extremadamente rápida a altas temperaturas y extender el tiempo de residencia solo prolonga el tiempo de crecimiento de las partículas, por lo que el tamaño de las partículas del producto aumenta y el área de superficie específica disminuye. Al mismo tiempo, se prolonga el tiempo de residencia y los grupos moleculares de anatasa tienen tiempo suficiente para convertirse en grupos moleculares de rutilo, aumentando el contenido de rutilo. Además, en el reactor en fase gaseosa, el proceso de formación de partículas ultrafinas incluye reacciones químicas en fase gaseosa, reacciones superficiales, nucleación homogénea, nucleación heterogénea, condensación y agregación o sinterización. A altas temperaturas, la velocidad de reacción en fase gaseosa es muy rápida, por lo que el efecto de los cambios de temperatura sobre la velocidad de nucleación no es significativo. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, la epitaxia superficial de una sola molécula y la velocidad de reacción superficial de las partículas se aceleran. Al mismo tiempo, aumenta el grado medio de libertad de las moléculas de gas, se intensifica la colisión entre partículas, aumenta la tasa de aglomeración de partículas y las partículas se aglomeran y crecen fácilmente. Además, dado que las partículas primarias en el reactor son bastante pequeñas, la energía superficial en el límite de la partícula es muy grande y las partículas pequeñas tienden a difundirse y fusionarse gradualmente para formar partículas más grandes, reduciendo así la energía superficial.
Cuanto mayor sea la temperatura de reacción, más rápida será la velocidad de difusión del límite de grano y mayor será la fuerza impulsora de la sinterización, lo que dará como resultado una reducción del área superficial específica y un aumento del tamaño de las partículas.