一氧化钛的制备

发布日期:2020/10/22 21:04:06

【背景及概述】^[1][2][3]

一氧化钛是一种碱性氧化物、强还原剂，易被氧化。与硫酸或盐酸反应放出H₂气形成三价钛盐Ti₂(SO₄)₃或TiCl₃；在沸腾的硝酸中被氧化为TiO₂；与卤素(F₂、Cl₂、Br₂等)作用形成4价钛的化合物TiCl₄、TiOCl；在空气中加热至800℃时被氧化为TiO₂；与TiC和TiN可形成连续固溶体。在Ti-O系中形成连续固溶体，由包晶反应α+L＝TiO生成，在含O为47.4-54.0%(原子百分数)范围内稳定。一氧化钛与黄金同属面心立方晶系，在自然界中其颜色最接近黄金的颜色，因此一氧化钛可用于装饰行业及相关领域。

此外，一氧化钛能作为乙烯聚合物反应的催化剂，并在半导体行业得到广泛应用。一氧化钛是一种具有金属光泽的金黄色物质，具有美丽的金黄色，是自然界中颜色最接近黄金的物质。研究表明，一氧化钛在大气、家庭气氛、泥土、人工汗液，K金腐蚀剂、NaCl溶液和浓氨水中具有良好的抗变色和抗腐蚀性能，较 Cu基合金仿金材料和TiN基金属陶瓷仿金材料高几十至几百倍。仿金材料代替稀贵的黄金用于装饰，具有巨大的市场需求和广阔的应用前景。

由于制得单一相高质量的TiO比较困难，再加上人们对一氧化钛的性能研究很少，所以对一氧化钛的应用研究也较少，一氧化钛所获得的应用还不够广泛。鉴于一氧化钛优异的性能以及其在装饰仿金领域的潜在需求，在不同基底上制备具有良好结合力、且有良好组成、形貌的一氧化钛仿金薄膜对仿金材料的发展和开发钛的新用途将具有显著的实际意义。通常TiO仿金材料的制备方法主要粉体以及整体材料，而应用最广泛的薄膜材料的制备研究很少。

【理化性质】^[1][2]

一氧化钛化学式TiO，具有金属光泽的固体或黑色棱柱状晶体。存在两种变体，转化温度为991℃±5℃，<991℃时稳定态为a-TiO，面心立方晶系，晶格参数a=(4.17±0.005)×10^-8cm；>991℃时稳定态为β-TiO，面心立方晶系，晶格参数a=(4.162±4.18)×10^-8cm。相对密度4.93，熔点1750℃ ，沸点高于3000℃。在真空高温下易挥发，冷凝物为棕色或红棕色；不溶于水。

【应用】^[2][3]

一氧化钛可用作乙烯聚合反应的催化剂，还可用于制作遮光性胶卷、电极材料、黑色化妆品等。例如有研究对一氧化钛作为电解电容器的阳极材料进行了研究。

以钛和二氧化钛为原料分别在1000，1200，1400，1500 ℃下制备出一氧化钛粉末，用XRD，SEM测试方法对产物物相、微观形貌进行了分析；对所制备的一氧化钛粉末制成的阳极进行了电性能测试，测试结果表明，可以在所制备的阳极基体上形成具有介电功能的氧化膜；同时，对赋能液进行了选择研究，结果表明，传统用于钽电解电容器的赋能液不适用于一氧化钛电解电容器阳极的赋能，用5%的五硼酸铵溶液对一氧化钛阳极赋能相对较好。还有研究制备了一种一氧化钛基金属陶瓷仿金材料，与24K黄金色度差0.005～0.010，大气中稳定不变色，于K金腐蚀液中，在25℃±2℃条件下不变色，时间＞40天，抗弯强度440～800MPa，断裂韧性5.2～10.0MNm-3/2。

【制备】^[4][5]

目前，一氧化钛的制备方法主要有氢气氛下的镁还原二氧化钛法，氢气氛下的氢还原二氧化钛法，碳还原二氧化钛法，钛还原二氧化钛法。其中镁还原二氧化钛法和炭还原二氧化钛法反应条件比较苛刻，氧含量不易控制；氢还原二氧化钛法反应条件苛刻，需要在高压下才能发生反应；钛还原二氧化钛法虽然能够避免上述问题，但是受到反应条件和化学计量比的限制，容易造成钛的剩余或者二氧化钛的剩余，从而不能得到高纯的一氧化钛。

方法1：按反应计量将金属钛和二氧化钛混合，在经过真空抽气的氧化铝容器中加热到1600℃进行反应。

方法2：以三氧化二钛和高纯氢气为基本材料，进行高温热还原反应制备一氧化钛。所述的高温热还原反应过程的氢气与三氧化二钛按照摩尔比大于（包含）1：1的关系进行配比。所述的高温热还原反应过程的反应温度为800～2000℃，反应时间为120小时。采用三氧化二钛作为基本原材料，用氢气作为还原剂，通过一步热还原反应制备了一氧化钛，简化了制备工艺，提高了产品纯度。通过改变基本原料，用三氧化二钛替代二氧化钛，使得氢气在高温条件下就能与将三氧化二钛还原成一氧化钛，获得了高纯一氧化钛。