开题报告PPT 还原气氛对TiO2非化学计量程度的影响 指导老师： 引言 二氧化钛(TiO2），工业上称钛白粉，英文名称titanium dioxide。是迄今为止发现的性能最 好的白色颜料。 二氧化钛具有稳定的化学，物理性质，良好的光学，电学性能以及优异的颜料性能，所以其用 途十分广泛： TiO2的粘附力很强，不容易发生化学变化，因此被广泛用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、 化纤、橡胶、化妆品等工业产品中； TiO2熔点高，被用于制造耐火玻璃，釉料，珐琅，陶土，耐高温的实验器材等； 纳米TiO2性质十分稳定，且无毒，催化活性强，能够使用太阳能深度降解有机物，无二次污 染，反应条件温和，价格低廉，所以是世界上最当红的纳米光触媒材料；纳米TiO2又表现出良好 的光催化性能，在除臭、抗菌、空气净化、污水处理等方面也有广阔的前景。 特别值得一提的是颜料钛白粉，因其具有其他白色颜料无法超越的多种优异性能 ，以至于其面世后，很快就取代了传统的铅白，锌白，锌钡白等白色颜料，成为 白色颜料之王。由于它是白色和浅色最好的遮盖颜料和消色颜料，因此被广泛的 应用于需要着白色或浅色的涂料，纸张，塑料，油墨，橡胶等领域。二氧化钛是 非常重要的瓷器釉料和白色颜料，与其他的白色颜料相比有优越的白度，着色 力、遮盖力、耐候性、耐热性和化学稳定性，特别是没有毒性。 随着世界经济的发展和人类科技的进步，人们对钛白粉的认识将越来越深，钛白 粉的领域将越来越广，钛白粉的市场需求将越来越大，钛白粉有着极其宽广的发 展和应用前景。 二氧化钛一般分为锐钛矿（Anatase） ，板钛矿(Brookite)和金红石型（ Rutile）三种晶型。锐钛矿型和金红石 型都具有高催化活性，其中锐钛矿型 活性最高，高温下锐钛矿型和板钛矿 型都会转变为金红石型。TiO2性质 板钛矿型 锐钛矿型 锐钛型属于四方晶系，它以八面体的形式出现，钛原子处于八面体的中 心，6个氧原子环绕着钛原子，即每个锐钛晶胞中有4个二氧化钛分子， 以8个棱边相接，锐钛型在低温下相对较为稳定，但在温度达到610oC左 右时，锐钛矿慢慢转化为金红石，在730oC时发生高速转化，915oC时可 以完全转化为金红石型，由此也可以看出其转化温度是渐进式的而不是 突变的。如果在锐钛矿煅烧时加入了金红石型促进剂，转化温度可以降 低一些，相反，如果在煅烧时加入了金红石型的抑制剂，转化温度则会 升高。 板钛型属于斜方晶系，是不稳定的晶型，它只存在于自然界的矿物中， 数量非常少，当加热温度高于650oC时，板钛矿会直接转化为金红石型 ，没有工业利用价值。 金红石型 由于锐钛型和板钛型二氧化钛在高温下都被转变为金红石型，因此板钛型和 锐钛型二氧化钛实际上是不存在熔点和沸点的。只有金红石型的二氧化钛有 熔点和沸点，金红石型二氧化钛的熔点为1850、空气中的熔点(1830土 15)、富氧中的熔点1879，熔点与二氧化钛的纯度有关。金红石型二氧化 钛的沸点为(3200300)K，在此高温下二氧化钛稍有挥发性。 金红石型属于四方晶系，钛原子处于晶格的中心，周围环绕 着6个氧原子。每个金红石晶胞中，都有两个二氧化钛分子， 其晶格小而且比较紧密，所以是三种晶体中最稳定的一种， 在非常高的温度下也不会发生转化和分解。金红石型的二氧 化钛也具有较高的的折射率，硬度，介电常数以及密度。 TiO2的制造方法有文献和专利可查的有很多 ，比如硫酸法，盐酸法，氯化法，磷酸法， 亚熔盐碱法，碱金属熔盐法等。但比较常见 的是硫酸法和氯化法。 TiO2生产工艺 氯化法 氯化法钛白工艺流程短，装置生产能力大。自动化程度高，产品质量好，投资低于硫酸法，与环境友好性优于 硫酸法，日益被人们所公认，获得快速发展，日前，国际够经济规模的钛白粉装置都首选氯化法钛白工艺。 氯化法是相对硫酸法而言来定义的，氯化法钛白主要有以下三大工艺过程： 氯化，用氯气在还原气氛下氯化钛原料； 精馏，四氯化钛冷凝，精馏提纯； 氧化，四氯化钛氧化生产TiO2。 同时，还有各种通过水解TiCl4的工艺方案，但这些工艺都无商业经济价值。氧化工艺其优势所在是氯气可循环 使用，即此阶段产生的氯气中加入AlCl3作晶型转化剂及成核剂，生成的氯气经冷凝后返回到氯化工序中。 主要反应：TiO2+C+2Cl2=TiCl4+CO2 TiCl4+O2=TiO2+2Cl2 AlCl3+3O2=Al2O3+6Cl2 硫酸法 硫酸法钛白粉制造已经有着80多年的历史，至今仍存在于世界上许多国家，其工艺路线成熟，设备装置要求较 低，对原料要求较低，而且可以生产金红石型和锐钛矿型两种产品。尽管其操作流程复杂，流程变数大，“三废”排 放量较大，至今硫酸法钛白粉生产任然有着极其强大的生命力，并将持续很长一段时间。 典型的硫酸法生产工艺流程： 钛矿粉碎酸解沉降洗渣结晶钛液压滤浓缩水解水洗漂白盐处理 用磨细的钛铁矿和硫酸（浓度80%，温度343K-353K）在不断通入空气并且搅拌的条件下反应，制得可溶性 硫酸盐：FeTiO3+H2SO4=TiOSO4+FeSO4+2H2O。由于这一反应是放热的，反应剧烈时温度可达473K。制取二氧 化钛时，关键点一步是使钛液水解TiOSO4+2H2O=TiO2H2O+H2SO4。钛液的浓度、酸度、温度都会影响水解反应 的进行，浓度越小，酸度越小，温度越高，反应越容易发生。为了升高温度，反应常常在加压的情况下进行，这样 也可以使沉淀颗粒比较紧密，让产品有更好的物理性能。 对于金属氧化物，如果在特定的条件下（如高温） ，会造成晶格中的氧的脱离，导致氧缺失，形成氧空 位。 TiO2晶体在低氧分压气氛中，晶体中的氧可以逸出 大气，这时晶体出现氧空位，Ti4+获得电子变成Ti3+， 但获得的电子不在固定的钛离子上，而是位于氧离子 的空位附近，被氧空位束缚，以保持电中性。 二氧化钛非化学计量缺陷反应方程： 2TiO22TiTi +Vo+3Oo+1/2O2 氧空位是TiO2常见的缺陷，TiO2非化学计量时存在 氧空位，以TiO2-x形式存在，这种存在的不饱和氧元素 对材料的特性起着重要的作用。 TiO2氧缺陷 本课题主要研究还原气氛对二氧化钛的非化学计量 程度的影响，即氮氢气氛下二氧化钛氧缺位程度的计 算。主要采用热重分析法，分析不同条件下的非化学 计量数。李泽全等人曾对氧空位的影响因素做过研究 ，研究了烧结温度、烧结气氛和Ar+刻蚀对TiO2样品氧 空位形成的影响。结果表明:相同气氛下，随着烧结温 度的升高，TiO2氧空位浓度逐渐增大；相同温度下， 惰性气氛有利于TiO2氧空位的产生；Ar+刻蚀有利于 TiO2氧空位的形成。 TiO2氧缺陷 本文主要介绍了二氧化钛的性能、应用领域、三种晶型及其关系、生产工艺和常见的缺陷氧空位。 二氧化钛作为性能最好的白色颜料，有两种主要的生产工艺：硫酸法和氯化法。其中，硫酸法应用 较广，设备要求低，但操作流程比较复杂；而氯化法投资低于前者，自动化程度高，且产品质量 好。由于二氧化钛优异的物理化学性能，它在涂料、塑料、印刷等领域有着广泛的应用前景。氧空 位是二氧化钛的常见缺陷，而此次毕业设计的任务是：用热重分析法研究还原气氛对二氧化钛的非 化学计量程度的影响，即氮氢气氛下二氧化钛氧缺位程度的计算。 总结 Thank you