王勇

湖南農業(yè)大學應用物理系 長沙 410126

二氧化鈦納米線的水熱法制備與溫度對其晶型的影響

王勇

湖南農業(yè)大學應用物理系 長沙 410126

利用水熱法制備二氧化鈦納米線，對樣品進行退火處理，使用X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）對二氧化鈦納米線的形貌、成分進行分析表征。

二氧化鈦；水熱法；納米線

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

作者：王勇，講師，在職碩士研究生，研究方向為納米器件制備與表征、物理教育。

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

近年來，低維納米材料的研究受到廣泛重視，這主要是由于低維納米材料具有比傳統(tǒng)材料優(yōu)異的性能和潛在的應用價值。二氧化鈦（TiO2）是一種粉末狀多晶型化合物，其具有許多優(yōu)異的物理化學特性，例如穩(wěn)定性高、無毒性、紫外光吸收性能好、生物生理穩(wěn)定性高等[1]。隨著納米科技的快速發(fā)展，二氧化鈦納米材料的研究已成為納米科技的一大焦點。水熱法是指在特制的密閉反應器（高壓釜）中，采用水溶液作為反應介質，對反應體系加熱，在反應體系中產生一個高溫高壓的環(huán)境而進行無機合成[2]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

國產分析純二氧化鈦粉末、氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇；退火爐、內襯聚四氟乙烯的高壓反應釜、X射線衍射儀、飛利浦FEI—XL30掃描電子顯微鏡。

1.2 二氧化鈦納米線的制備

稱量12.0 g氫氧化鈉，投入干凈的三角燒瓶中，再倒入去離子水直到30 ml，使其充分溶解形成10 mol/L的濃堿溶液，下面簡寫為12 g-30 ml；稱取0.5 g（或0.3 g）二氧化鈦納米顆粒粉，投入上述三角燒瓶中令其與堿溶液混合；倒入無水乙醇直到整個混合液約60 ml；投入磁力棒，蓋上塞子，置于磁力攪拌器之上，充分攪拌，大約需1個小時。將攪拌充分的混合液體注入聚四氟乙烯襯套中，然后塞入不銹鋼反應釜中，密封。將反應釜置于電熱恒溫鼓風干燥箱，設置反應溫度為240 ℃，時間為24小時，開始反應。結束后，任其自然冷卻。用鹽酸和去離子水洗滌直到其pH值為7。過濾所得產物，再恒溫干燥，收集樣品。

1.3 樣品熱處理

由于溶液方法生長的晶體成分復雜，同時存在金紅石與銳鈦礦等多種相，而且晶格畸變與應力的存在不利于進一步的研究工作，決定采用熱處理（退火）的手段來改善晶型。在熱處理實驗當中，使用CVD（化學氣相沉積法）爐實現(xiàn)高溫退火。為了防止各種雜質氣體對實驗環(huán)境的破壞，先將樣品密封在石英管中，然后通過與真空泵相連的管道將其抽成真空，并通入保護氣體（氬氣）清洗數(shù)次。數(shù)控裝置控制下的加溫區(qū)達到預定溫度后穩(wěn)定一段時間，停止加熱，使其在氣流保護下自然冷卻。

1.4 分析測試

采用荷蘭PANalytical公司XPert PRO X射線衍射儀衍射實驗樣品，CuKet靶（λ＝0.154 06 nm），工作電壓40 kV，工作電流40 mA，掃描范圍為l0°～80°，掃描速率為0.05°/s。用飛利浦XL30掃描電子顯微鏡觀測樣品的表面形貌，加速電壓為10 kV。

2 結果與討論

圖1是一組不同實驗條件下制備的二氧化鈦納米晶體在掃描電子顯微鏡（SEM）下的形貌照片。圖1（a）（b）和（c）顯示的是12 g-30 ml-0.3 g條件下得到的晶體形貌，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，在這種方案指導下，生長得到的基本上都是微小的一維結構，直徑多為幾十納米，長度以數(shù)微米為多，長徑比差異不大。圖1（d）則是12 g-30 ml-0.5 g條件下的產物，可以觀察到兩種條件下所得晶體的差異，后者的長徑比明顯要小，而且長度和線性都不及前者。這說明在生長源相對缺少的時候，晶體的各向差異性表象得更為突出，這有利于一維結構的調控，如果投入的物料過多，造成源過剩，則可能在短時間內同時在晶體的各個方向上都快速堆積原子，不可能在特定方向上誘導出線性較強的晶體形貌。

圖2所示的樣品SEM圖像。其中（a）（b）（c）（d）依順序分別是在600 ℃、700 ℃、800 ℃、1 000℃溫度條件下退火獲得的產物，可以看到溫度不斷升高時，由于在納米尺度下物質的宏觀性質發(fā)生巨大變化，實驗制得的晶體的熔點與常規(guī)條件下的二氧化鈦相比，已經降低不少，二氧化鈦納米晶體開始出現(xiàn)融化的趨勢；當溫度超過800 ℃時，晶體的線性基本被破壞，變成樹枝狀的形貌結構，而且體積明顯變大，已經不能稱之為納米線。

圖3是二氧化鈦在不同溫度下退火處理的樣品的XRD譜，a、b分別是500 ℃和600 ℃制備的樣品的譜線，可以看出基本上是銳鈦礦結構的峰，與JCPD（04-0477）標準卡相符合；當溫度升高到700 ℃，逐漸出現(xiàn)金紅石相；至900 ℃時主要是金紅石相，在27.45°和36°等多處出現(xiàn)新的衍射峰，應歸屬于金紅石相的（110）和（101）衍射峰[3][JCPDS（No.211276）]，說明已出現(xiàn)金紅石相且為四方晶體；c、d和e表明銳鈦礦和金紅石兩相共存，并且隨著熱處理溫度的提高銳鈦礦相衍射峰有所增強，但金紅石相衍射峰增強顯著。

3 結論

在水熱法合成二氧化鈦納米線的實驗過程中，通過控制二氧化鈦納米粉末的投入量從而實現(xiàn)對二氧化鈦納米線微結構的精確控制。在不同溫度下退火處理的樣品的XRD譜顯示，隨著熱處理溫度的提高，銳鈦礦相衍射峰有所增強，但金紅石相衍射峰增強顯著。

[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,馬淑芳,韓培德,等.二氧化鈦納米管的合成及其表征[J].稀有金屬材料與工程,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

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