二氧化鈦超清水薄膜的制備及性能測試

1、<p>　　化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)名稱： TiO2超清水薄膜的制備及其性能測試</p><p>　　年級: 2015級材料化學(xué) 日期：2017/10/11 </p><p>　　姓名：汪鈺博 學(xué)號：222015316210016 同組人:向澤靈</p>

2、<p><b>　　預(yù)習(xí)部分</b></p><p>　　超親水TiO2薄膜簡介</p><p>　　TiO2超親水理論由來：</p><p>　　自20世紀(jì)70年代以來，日本東京大學(xué)的藤島昭(Fujishima)、橋本和仁(Hashimoto)等人的研究發(fā)現(xiàn)，在微弱光下即在太陽光或在日光燈照射下，TiO2吸收近紫外光后，使玻璃表面的

3、有機(jī)污物、微生物和細(xì)菌分解為CO2和H2O等簡單無機(jī)物</p><p>　　藤島昭(Fujishima)等人在研究中還發(fā)現(xiàn)TiO2薄膜經(jīng)微弱光照射后，TiO2表面具有兩親性—即超親水性和光催化活性，如果遮斷光源，這種兩項(xiàng)特性在黑暗中仍能保持一段時(shí)間。</p><p>　　1997年Wang等人報(bào)道了TiO2薄膜在紫外光照射下具有超親水性的研究，TiO2薄膜的超親水特性受到世人矚目。<

4、/p><p>　　納米自清潔功能：經(jīng)處理的表面具有超親水性能。該特性可以使水分完全均勻地在玻璃表面鋪展開來，并且完全浸潤表面，并通過水的重力將附著于表面上的污染帶走，而不會(huì)形成水珠，粘附灰塵，從而達(dá)到自清潔效果，并保持表面的長期清潔。 </p><p>　　光催化功能：在陽光或紫外光的照射下，自清潔納米薄膜材料對有機(jī)物會(huì)具有強(qiáng)烈的分解作用，而對無機(jī)物不會(huì)發(fā)生任何作用</p>&l

5、t;p>　　防霧作用：水分無法在表面形成水珠，用于玻璃表面的防霧</p><p><b>　　超親水表面定義</b></p><p>　　通過表面改性獲得跟水滴接觸角>150°稱為超疏水性表面</p><p>　　接觸角<5°稱為超親水表面</p><p>　　超親水表面的化學(xué)組成&

6、lt;/p><p>　　超親水表面的形成大多數(shù)都是光催化物質(zhì)存在，光催化物質(zhì)包括銳鈦型（Anatase）二氧化鈦，金紅石（Rutile）二氧化鈦、氧化鋅、三氧化鎢、滿載金屬（金、鉑、銀、鈀）的二氧化鈦和改性聚丙烯腈（PAN）聚合物等。</p><p>　　b）超親水TiO2薄膜合成方法</p><p><b>　　溶膠凝膠法</b></p&g

7、t;<p>　　將已配置的二氧化鈦溶膠用旋涂儀旋涂在清洗過的玻璃基底上。旋涂速率為3900～4200rmp</p><p>　　將步驟3中制備的二氧化鈦/玻璃體系放置干燥箱中，以溫度100℃的條件將其干燥20～40分鐘</p><p>　　將步驟4中的樣品取出，放置在馬弗爐中。以升溫速率為2～3℃升溫至480～550℃條件退火2～3小時(shí)</p><p>

8、;　　退火完成后，自然降溫至室溫，制得超親水二氧化鈦薄膜</p><p>　　C）超親水TiO2薄膜作用原理</p><p>　　在紫外光照射下TiO2納米顆粒表面生成電子空穴對</p><p>　　電子與Ti4+反應(yīng)，空穴則與表面橋氧離子反應(yīng)，分別生成Ti3+和氧空位</p><p>　　空氣中的水解離，吸附在氧空位中，成為化學(xué)吸附水（表面

9、羥基），化學(xué)吸附水可進(jìn)一步吸附空氣中的水分，形成物理吸附層</p><p>　　這樣在氧空位周圍形成了親水微區(qū)，而表面剩余區(qū)仍保持疏水性</p><p>　　TiO2表面的納米結(jié)構(gòu)特性反應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，在TiO2表面構(gòu)成了均勻分布的納米尺度的親水微區(qū)和疏水微區(qū)，類似于二維毛細(xì)管結(jié)構(gòu)。由于水溶液的液滴尺寸遠(yuǎn)大于這些微區(qū)面積，所以宏觀上TiO2表面表現(xiàn)出親水特性</p><p

10、>　　滴下的水被微區(qū)所吸附，從而浸潤表面。表面上的這層物理吸附水可阻止污染物與玻璃表面接觸，污物漂浮在此水面上，很容易被雨水沖洗掉，使表面能在較長時(shí)間內(nèi)保持清潔和易于清洗。停止紫外光照后，化學(xué)吸附的羥基被空氣中的氧所取代，又回到疏水的狀態(tài)。</p><p>　　d）超親水TiO2薄膜的應(yīng)用</p><p>　　自潔玻璃是指普通玻璃在經(jīng)過通過特殊的物理或化學(xué)方法處理后，使其表面產(chǎn)生獨(dú)特

11、的物理特性，從而使玻璃不再通過傳統(tǒng)的人工擦洗方法而達(dá)到清潔效果的玻璃</p><p><b>　　防霧</b></p><p><b>　　節(jié)省清洗費(fèi)用</b></p><p>　　降低人工清洗使用的清洗劑帶來的對玻璃結(jié)構(gòu)的腐蝕和破壞 </p><p>　　降低高空清洗作業(yè)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn) </

12、p><p>　　解決非立面建筑墻面，屋面的清洗難題</p><p>　　銀的抑菌作用，使玻璃產(chǎn)品具有一定的抗菌、除臭、分解空氣中的有害氣體和表面有機(jī)物的自潔功能</p><p><b>　　e) 潤濕角的測定</b></p><p>　　當(dāng)液滴自由地處于不受力場影響的空間時(shí)，由于界面張力的存在而呈圓球狀。但是，當(dāng)液滴與固體平

13、面接觸時(shí)，其最終形狀取決于液滴內(nèi)部的內(nèi)聚力和液滴與固體間的粘附力的相對大小。當(dāng)一液滴放置在固體平面上時(shí)，液滴能自動(dòng)地在固體表面鋪展開來，或以與固體表面成一定接觸角的液滴存在。</p><p>　　接觸角（ContaCt angle），θ，是指在一固體水平平面上滴一液滴，固體表面上的固－液－氣三相交界點(diǎn)處，其氣－液界面和固－液界面兩切線把液相夾在其中時(shí)所成的角。θ介于00-1800之間，是反映物質(zhì)與液體潤濕性關(guān)系的

14、重要尺度，θ＝90o可作為潤濕與不潤濕的界限，θ<90o時(shí)可潤濕，θ>90o時(shí)不潤濕。</p><p>　　對于理想的平固體表面，當(dāng)液滴在表面達(dá)平衡后。只有一個(gè)特定的接觸角。但實(shí)際固體表面是非理想的，因而會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，致使接觸角的測量往往很難重復(fù)。但經(jīng)過精心制備和處理的表面(使表面平滑、干凈),有可能得到較重復(fù)的數(shù)據(jù)，特別是高分子的表面。常用的接觸角測定方法: </p><p&g

15、t;<b>　　1. 量角法</b></p><p>　　液滴角度測量法是測量接觸角的最常用的方法之一，如圖2（a，b）所示。該方法是將固體表面上的液滴，或?qū)⒔胍后w中的固體表面上形成的氣泡投影到屏幕上，然后直接測量切線與相界面的夾角，直接測量接觸角的大小。</p><p>　?。╝）停滴 （b）停泡</p><p>　　圖2

16、 量角法示意圖</p><p><b>　　2. 量高法</b></p><p>　　如果液滴很小，重力作用引起液滴的變形可以忽略不計(jì)，這時(shí)的躺滴可認(rèn)為是球形的一部分，如圖3所示。接觸角可通過高度的測量按下式計(jì)算：</p><p>　　式中h是液滴高度，d是滴底的直徑。若液滴體積小于10-4mL，可用此方法測定。若接觸角小于90o，則液滴稍大亦

17、可應(yīng)用。</p><p>　　圖3 量高法示意圖</p><p>　　決定和影響潤濕作用和接觸角的因素很多。如，固體和液體的性質(zhì)及雜質(zhì)、添加物的影響，固體表面的粗糙程度、不均勻性的影響，表面污染等。對于一定的固體表面，在液體液相中加入表面活性物質(zhì)?？筛纳茲櫇裥再|(zhì)，并且隨著液體和固體表面接觸時(shí)間的延長，接觸角有逐漸變小趨于定值的趨勢，這是由于表面活性物質(zhì)在各界面上吸附的結(jié)果。</p&

18、gt;<p><b>　　二、實(shí)驗(yàn)部分</b></p><p><b>　　（一）實(shí)驗(yàn)原理</b></p><p>　　1.TiO2 薄膜的超清水原理</p><p>　　圖1 二氧化鈦超清水原理圖</p><p>　　在紫外光照射下，二氧化鈦薄膜將表現(xiàn)出超清水性，這主要是與其表面結(jié)構(gòu)

19、的變化有關(guān)。光照后，TiO2價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，從而形成電子空穴對；電子空穴對遷移到表面，電子與表面的Ti4+反應(yīng)形成Ti3+,而空穴與橋氧反應(yīng)在表面形成大量的氧空位，這些氧空位可以使表面的吸附水羥基化，從而在Ti3+附近形成大量的羥基，從而表現(xiàn)出局部的超清水性。在沒有光照下，這些羥基可能失水又回復(fù)到橋氧狀態(tài)變?yōu)槭杷?lt;/p><p>　　另外，生成的空穴還可能于表面羥基反應(yīng)生成羥基自由基，其具有很強(qiáng)的氧化性，可

20、以氧化分解薄膜表面的有機(jī)物，從而達(dá)到自潔的效果。</p><p>　　TiO2膠體制備與純化</p><p>　　強(qiáng)酸條件下，TiO2表面吸附大量的離子而帶電從而形成膠體；加入大量丙酮后，由于溶劑性質(zhì)的改變，破壞膠體的穩(wěn)定，形成TiO2沉淀。離心，再加入H2O后，又恢復(fù)到膠體狀態(tài)。</p><p><b>　　（二）實(shí)驗(yàn)步驟</b></p

21、><p>　　TiO2溶膠制備及純化</p><p>　　5 mL TiCl4到入干的燒杯中，然后緩慢滴加去離子水，同時(shí)攪拌；直到TiCl4的濃度為0.5M（總體積為44.5mL),然后轉(zhuǎn)移到錐形瓶中，快速加熱到60 oC后，移到60 oC烘箱中，保溫12h,冷卻到室溫后，離心取上層藍(lán)色半透明濾液。</p><p>　　濾液中加入丙酮，馬上出現(xiàn)白色沉淀，直到上層溶液變?yōu)?/p>

22、無色透明；離心，下層沉淀加入少量水，超聲，完全分散成透明溶膠，然后再滴加丙酮，直到上層無色，離心；該過程重復(fù)3次，最后，沉淀加入去離子水超聲分散成0.5M的TiO2溶膠，待用。</p><p><b>　　玻璃清洗</b></p><p>　　配置1M的氫氧化鈉溶液，玻璃片放入該溶液中浸泡10min,然后用水清洗趕緊，烘干備用</p><p>

23、<b>　　TiO2膜制備</b></p><p>　　取0.5M的TiO2溶膠稀釋10倍，配置成0.05M的溶膠；取烘干的玻璃片，浸入溶膠中，緩慢垂直拉提，50 oC烘干，反復(fù)3次；然后在250 oC處理2小時(shí)。樣品冷卻到室溫后，測潤濕角。</p><p><b>　　潤濕性測試</b></p><p>　　把鍍TiO2