纳米TiO₂粉体有白色和透明状的两种颗粒，常见的TiO₂粉体主要为金红石、锐钛矿、板钛矿等3种晶型，其中金红石和锐钛矿四方晶系，板钛矿是正交晶系。纳米二氧化钛以其良好的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、精细陶瓷、造纸工业、航天工业中、锂电池等领域。因此，纳米TiO₂成为广泛关注的热点，是当前应用前景最为广阔的一种纳米材料。我国对纳米TiO₂的研究已经进入产业化开发与生产阶段，目前，纳米TiO₂的制备方法主要有气相法、液相法。

一、 纳米TiO₂的制备方法

1、 气相法

气相法是直接利用气体或者通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。纳米TiO₂制备气相法主要包括TiCl₄气相水解法、气相氧化法、钛醇盐气相分解法、雾化水解法等。

（1）TiCl₄气相水解法

TiCl₄气相氧化法以精制的氢气、空气、氯化物（TiCl4）蒸气为原料。按一定的配比放进水解炉进行高温水解，水解温度一般控制在1800℃，氢气与氧气在高温下反应生成气态水， 气态水与TiC14在高温下反应生成TiO₂一次颗粒， 生成的一次颗粒烧结后变成 TiO₂纳米粒子。其化学反应方程式如下：

纳米 TiO₂的反应机理为：

该制备方法一次氧量的控制对TiO₂颗粒的晶形有显著影响。如一次氧含量较高时，金红石的含量很低，锐钛的含量较高；一次氧气含量较低时则相反。

TiCl₄气相水解法优点：生产纳米 TiO₂得到的纳米度极高；缺点是工艺复杂条件不容易控制。

（2）气相氧化法

气相氧化法以 O₂、TiCl₄、N₂（载气）为原料，在制备过程中一部分氮气携带经过高温预热的 TiCl₄蒸汽进入反应器，还有一部分氮气进入反应器尾部，一方面作为冷却气体，另一方面防止生成的 TiO₂粒子凝并，接着将经过预热的氧气喷进反应器，直接进行氧化还原反应得到 TiO₂金红石型粒子。该工艺的关键是喷嘴和反应器结构的设计、纳米 TiO₂遇冷壁结疤、产品的收集等问题。

气相氧化法优点：原料易得、产品粒度细、单个颗粒分散性好；缺点：制备工艺复杂，不容易控制。

（3）钛醇盐气相分解法

钛醇盐气相分解法以钛醇盐为原料，将其加热气化，用氮气、氦气或氧气作载气，把钛醇盐蒸气预热后导入热分解炉，进行热分解反应，制得纳米 TiO₂粒子。

该工艺的优点是：可连续生产，反应速度较快；缺点是设备的材质、型式以及加热问题有待进一步解决，且原料较贵。

（4）雾化水解法

雾化水解法采用钛醇盐为前驱物，利用静电超声等手段将其雾化成极其微小的液滴，再随载气进入反应器中，经过短时间的水解，最后得到二氧化钛粉末。其工艺流程如下：

雾化水解法工艺流程

雾化水解法优点是：制备二氧化钛过程迅速、纯度高、粒径大小可控、分散性好，可以达到自动化、连续化的生产；缺点是：制备过程中温度限制，得到金红石型二氧化钛则还要通过高温煅烧过程。

2、液相法

与气相法相比，液相法生产的原料成本低了一个数量级。而且具有原料无毒、无危险性、常温液相反应、工艺过程简单易控制、易扩大到工业规模生产、三废污染少。液相法主要包括：沉淀法、溶胶-凝胶法、液相沉积法和微乳液法等。

（1）沉淀法

沉淀法制备纳米TiO₂的原理是在一定条件向含钛溶液中加入沉淀剂，于是生成沉淀析出，将沉淀物洗涤、干燥后再热处理可得到纳米TiO₂粒子。其反应机理为：

直接沉淀法优点：操作简单易行、成本低、对设备、技术要求不严。缺点是容易引人杂质，而且粒度分布较宽。

（2）溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法通常以钛醇盐作为原料，经过水解缩聚反应得到溶胶。制备步骤：首先将钛酸盐加入到溶剂（一般为醇）中，通过不断搅拌形成均匀溶胶，接着钛醇盐和水发生水解反应，并伴有失水、失醇反应，所得物质聚在一起形成溶胶，经过烘干、煅烧和研磨最后得到纳米二氧化钛粉体。在制备过程中需要严格控制 PH值、反应物浓度、反应温度等条件。其工艺流程如下：

溶胶凝胶制备法优点是制备温度低、设备简单、产品活性高、粒径小分布均匀，因此特别适于制备非晶体；缺点是成本较高，烘干和煅烧过程中溶胶的体积收缩较大，并且制备的二氧化钛易团聚。

（3）液相沉积法

液相沉积法是在原料液中加入适量的沉淀剂，从而使溶液中的阳离子形成沉淀，再利用过滤、 洗涤、 烘干等手段制备纳米颗粒的方法。此方法一般以Ti(SO4) ₂和TiCl₄等钛盐作为原料。主要过程为:将碱类物质( 如氨水、碳酸钠、氢氧化钠等) 添加到钛盐溶液中形成 Ti( OH) ₄，再经过滤、洗涤、烘干过程，最后通过煅烧得到不同晶型的纳米二氧化钛粉体。其工艺流程图如下：

液相沉积法工艺流程图

液相沉积法制备优点：二氧化钛工艺简单且原料价廉易得，缺点是：粒子团聚现象严重，工艺流程过长、料液损失大、纯度低等不足之处。

（4）微乳液法

微乳法可制备单分散的纳米TiO₂粉体。微乳液是由水、油和表面活性剂组成的热力学稳定体系，其中水被表面活性剂单层包裹形成微水池，均匀分散于油相中。每个水核类似一个微反应器，相关反应在微水池中进行，通过控制微水池的尺寸来控制颗粒的大小。

微乳液制备的TiO₂纳米颗粒粒径小、分散好、形貌规整、分布窄。微乳液制备纳米 TiO₂时需要大量溶剂易造成浪费。

二、纳米 TiO₂的应用

光触媒纳米二氧化钛工作原理

1、杀菌材料

（1）用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准；

（2）在涂料中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料。

2、电池原料

（1）纳米二氧化钛具有极好的高倍率性能和循环稳定性，快速充放电性能和较高的容量，脱嵌锂可逆性好等特点，在锂电池领域具有很好的应用前景。

（2）在化学能太阳能电池中，纳米二氧化钛晶体具有光电转换率高、能很大提高太阳电池的能量转换率、成本廉价、工艺简单及性能稳定的特点。

（3）在镍镉电池中，纳米二氧化钛具有良好的导电性、宽温度工作范围的特点。

2、 高档汽车漆

纳米级二氧化钛与铝粉混合颜料或纳米二氧化钛包覆的云母珠光颜料添加于涂料中，其涂层能产生神秘而富有变幻的随角异色效应。

3、 化妆品

纳米二氧化钛，呈透明状，因此在阻挡紫外线、透过可见光以及安全性方面具有一般化妆品原料所不具备的许多优良特性和功能。

4、 其他方面

（1）信息与通讯方面的磁性存储器、光学存储器、液晶显示、光学方面的功能性薄膜；

（2）电子方面的原件开发，能源方面的太阳能电源，热敏绝缘体，测量与控制技术方面的传感器；

（3）陶瓷方面的结构陶瓷，功能陶瓷；

（4）抗老化橡胶、功能油漆、光催化降解剂、超高磁能衡土水磁体等。

参考文献：

1、 魏绍东，殷道纯等，《以 TiCI₄为原料制备纳米TiO₂的研究进展》 ；

2、 程易，陈家琦等，《高温气相法可控制备纳米TiO₂》 ；

    3、胡日博，张新娜等，《直接沉淀法制备纳米 TiO₂粉体的研究》 。

作者：李波涛