传统金红石相TiO2超微颗粒的合成方法主要有溶胶-凝胶法、微乳液法、高温气相反应法等,其中溶胶-凝胶、微乳液法生产成本高，反应时间长，且反应首先要生成无定型的TiO2，需经过高温(800-1000°C)煅烧才能获得金红石相的颗粒，煅烧过程极易导致颗粒凝聚和烧结；高温气相法可以直接得到金红石粒子，反应速度快，可以实现连续生产，但反应在高温时瞬时完成，要求物料在极短的时间内微观混合,对反应器型式、材质、加热方法及进料方式都有很高的要求。

　　本实验以工业钛液为原料，经扩散渗析处理(按照水与钛液的比例为3:1)后向钛液中加入催化剂用低温液相法制备金红石型TiO2纳米粉体，通过研究反应物浓度、反应温度以及反应时间对产物晶相、形貌以及尺寸的影响，初步掌握了其反应规律,从而通过调节反应条件得到了晶化程度好,形貌均一的金红石型TiO2纳米粉体。

　　1纳米二氧化钛制备过程

　　将处理后的工业钛液(二氧化钛含量为40.2g/L，氢离子浓度为0.63mol/L，加水稀释1倍，加入硫酸使氢离子浓度为1.88mol/L，后加入0.1%(体积比)催化剂聚丙烯酰胺，在100°C下加热4 h，先用pH小于1的硫酸酸洗涤3次后再用水洗涤2次，离心分离，60°C下真空干燥，将干燥后得到的粉体样品进行分析测试。

　　2结果与讨论

　　2.1纳米二氧化钛的表征

　　图1是二氧化钛的X射线衍射图，TiO2的衍射峰位置2θ在27.58、36.22、41.36、54.49、56.77、62.90、64.16、69.13、69.30°处，与标准物质卡(JCPDS)进行对比，最强的三个峰分别对应金红石晶体结构的〈110〉、〈211〉和〈101〉三个面，由此可以确定在低温液相条件下可以制备得到金红石型TiO2晶体。根据Scherrer公式：

　　选择2θ＝27.4°处的衍射峰。计算得到纳米TiO2粉体的平均晶粒大小为25.4 nm；

　　图2是TiO2的红外光谱图，3335 cm-1较宽的峰是粉体表面吸附水-OH的伸缩振动峰；1631 cm-1和1401 cm-1的峰是表面吸附水的-OH弯曲振动峰；649 cm-1是金红石型纳米TiO2的特征峰，与锐钛矿型相比649 cm-1峰明显变尖；989 cm-1、1050 cm-1、1145 cm-1、1190 cm-1峰都是纳米TiO2表面吸附硫酸根离子的特性吸收峰。说明所得到的样品为表面吸附硫酸根的金红石型TiO2。

　　图3是二氧化钛的粒径分布图，从纳米粒子的数目上看纳米二氧化钛的颗粒大小在25~90 nm，但从纳米粒子的体积和光强度分布上看有大颗粒出现，说明纳米二氧化钛存在一定程度的团聚，但大粒子的数目很少，所占的体积也不大。

　　图4是纳米二氧化钛的TG-DTA可以看出质量下降分为两个阶段，第一阶段(质量下降12.5%)来源于表面吸附水和乙醇在温度升高时蒸发所致，第二阶段(质量下降10%)是由无定形纳米TiO2的含量随着温度升高不断下降造成。DTA图像与TG图像想对应，当TG图像变化快时，说明纳米TiO2质量损失大，吸热多，DTA图像出现了两个大的吸热峰。

　　图5是金红石型纳米TiO2的原子力显微镜图，从图中可以看出纳米二氧化钛的颗粒是球形，且清晰可见，纳米粒子的二次平均粒径大约75 nm。

　　由于钛液是各种成分的混合溶液，因此图6 (XPS图)可以看出纳米TiO2颗粒表面不仅包括钛、氧和碳元素，还包括少量氮和硫元素。

　　2.2纳米二氧化钛的结晶研究

　　向钛液中加入催化剂聚丙烯酰胺和不同量的浓硫酸后，直接在100°C下冷凝回流4h所得到的纳米TiO2粉体样品结晶晶形如图7所示，从图中可以看出随着酸含量的增加，锐钛矿型(25.3°峰)的含量逐渐减少，而金红石型(27.4°峰)纳米TiO2的含量逐渐增加，当反应混合体系中1.88 mol/L，只有金红石型纳米TiO2存在，锐钛矿型纳米TiO2完全转化为金红石型纳米TiO2。

　　钛液加入聚丙烯酰胺和不同量的浓硫酸后，直接在100°C下冷凝回流，加热不同时间所得到的纳米TiO2粉体样品的XRD如图8所示,当反应从1 h到4 h过程中，锐钛矿型纳米TiO2逐渐转化为金红石型纳米TiO2，但是当加热时间进一步增加时，纳米TiO2的结晶度不再提高，说明经过4 h加热反应后金红石型纳米TiO2结晶完全，继续加热不能再进一步结晶。

　　钛液加入浓硫酸和不同量的聚丙烯酰胺后，直接在100°C下冷凝回流加热不同时间所得到的纳米TiO2粉体样品的XRD如图9所示，随着聚丙烯酰胺加入量的增多金红石型纳米TiO2的含量逐渐增大(27.4°峰增强，25.3°峰逐渐减弱)，当聚丙烯酰胺的加入量为0.1%(质量比)时25.3°峰消失，只有27.4°峰出现说明此事锐钛矿型纳米TiO2已经完全转化为金红石型纳米TiO2，但当催化剂的加入量进一步增大时金红石型纳米TiO2的含量并未继续增强，说明当催化剂的加入量为0.1%(质量比)时就可以使金红石型纳米TiO2达到最高结晶度。

　　2.3纳米钛白粉形成机理探讨

　　二氧化钛的锐钛矿和金红石型晶体都属四方晶形，实验表明常温常压下锐钛矿比金红石更稳定，可是热力学数据证明在所有温度和压力下，相对金红石来说，锐钛矿仅是一种亚稳态。二种晶体的最小结构单元都是八面体，这些八面体以不同的方式共用边角形成不同的晶型，在金红石晶型中，八面体共用二个对边形成线形链，线形链再共用角上的氧原子，相互连结形成晶体；锐钛矿没有角共用，可以看作锯齿形链通过边共用形成晶体。我们可以用八面体的不同组合来表示二种晶体的基本结构元，金红石为线形，锐钛矿为角形或齿形。硫酸氧钛溶液水解为二氧化钛需经过一系列的脱氢羟基化和进一步脱氢由羟桥变为氧桥的过程。首先生成生长基元或称为初级粒子，该初级粒子可以进一步聚集成晶核，也可以溶解，这取决于反应速率及阴离子的种类。随着反应温度的提高，有锐钛矿粒子生成，但当催化剂开始起诱导作用后，锐钛矿相将逐渐向金红石相晶核出现，最终锐钛矿相纳米二氧化钛完全转化为金红石相纳米二氧化钛。因此，一定浓度的硫酸氧钛溶液在低温液相加热和催化剂诱导下可以生成金红石相二氧化钛粒子。

　　3结论

　　以工业钛液为原料，经扩散渗析处理(按照水与钛液的比例为3:1)后在加入催化剂的条件下通过低温液相可直接制备出粒径分布均匀，平均粒径大约为40 nm，结晶良好的球形金红石纳米二氧化钛粉体。且纳米TiO2颗粒纯度(纯度为92%)较高，表面主要包括钛、氧和碳元素，仅存在微量的氮和硫元素。