TiO2 薄膜的制备及其光催化性薄膜的制备及其光催化性能表征能表征1研究背景研究背景1972年，年，Fujishima等首次等首次报道道TiO2 电极表面光催化分解水制极表面光催化分解水制备氢气气的的实验结果果1；TiO2 作作为一种光催化材料因其一种光催化材料因其良好的光化学良好的光化学稳定性、抗磨定性、抗磨损性和廉价性和廉价无毒等特点无毒等特点备受人受人们的重的重视，在降解，在降解污染物及染物及杀菌方面的研究不断深菌方面的研究不断深入入23;TiO2 不不仅能能够将有机物将有机物污染物降解染物降解为 CO2 和和 H2O，同，同时也可氧化分也可氧化分解除去大气中低解除去大气中低浓度的氮氧化物度的氮氧化物NOx和含硫化合物和含硫化合物 H2S等有害气体等有害气体; TiO2 是目前公是目前公认认的光催化反的光催化反应应非常好的非常好的催化催化剂剂，但，但对对于于悬悬浮水体系浮水体系而言，而言，TiO2 粉末状光催化粉末状光催化剂剂在使用在使用过过程中存在分散性差、利用率程中存在分散性差、利用率较较低低和不易回收等和不易回收等问题问题。纳纳米米 TiO2 薄膜避免了上述缺点而得到广泛的关薄膜避免了上述缺点而得到广泛的关注注46;Ref:1 FUJISHIMA A, HONDA K. Nature, 1972, 238(5358): 3738.2 ICHINOSE H, KAWAHARA A. J Ceram Soc Jpn, 1998, 106(3): 344347. 3 GE Lei, XU Mingxia, SUN Ming. Mater Lett, 2005, 60(2): 287290. 4 LEE C K, KIM J K, LEE J H. J Sol Gel Sci Technol, 2004, 31(13): 6742. 5 SONAWANE R S, KALE B B, DONGARE M K. Mater Chem Phys, 2004, 85(1): 5257. 6 SANKAPAL B, LUX-STEIER R, ENNAOUI A. Appl Surf Sci，2005, 239(2): 165170.2TiO2 薄膜的制备薄膜的制备制制备方法主要采用溶胶方法主要采用溶胶 凝胶法。凝胶法。优点：合成温度低，点：合成温度低，纯度高，均匀性好，化学度高，均匀性好，化学组分易控制等。分易控制等。制备制备 RS 是以无机盐是以无机盐 TiOSO4、氨水为原料，、氨水为原料，H2O2（质量分数为（质量分数为 30%）为）为络合剂，水为溶剂。将适量已制备好的络合剂，水为溶剂。将适量已制备好的 PTA 溶胶加入圆底烧瓶中，在烧瓶溶胶加入圆底烧瓶中，在烧瓶开口处加装回流装置并通入自来水回流，开口处加装回流装置并通入自来水回流， 然后在热煲中升温至然后在热煲中升温至 100 煮沸，煮沸， 保温时间设定为保温时间设定为 2，6，10 h，将相应的溶胶样品分别编号为，将相应的溶胶样品分别编号为 RS2，RS6，RS10。采用浸渍涂覆法在洁净的载玻片上制备。采用浸渍涂覆法在洁净的载玻片上制备 TiO2 薄膜，提拉速度为薄膜，提拉速度为 6 cm/min，湿膜用红外灯干燥，湿膜用红外灯干燥 30 min，红外灯距薄膜距离为，红外灯距薄膜距离为 20 cm，干，干燥温度保持在燥温度保持在 100 左右，重复以上过程左右，重复以上过程 34 次，得到一定厚度的次，得到一定厚度的 TiO2 薄膜。薄膜。制备步骤：制备步骤：3RS和和 TiO2 薄膜的薄膜的 XRD分析分析RS2 已经开始出现锐钛矿相的衍射峰但已经开始出现锐钛矿相的衍射峰但比较微弱，这说明比较微弱，这说明 RS2 结晶度低；结晶度低；RS6，RS10 均有明显的锐钛矿相衍射均有明显的锐钛矿相衍射峰出现，表明这两种溶胶中均有结晶良好峰出现，表明这两种溶胶中均有结晶良好的锐钛矿相晶粒存在。的锐钛矿相晶粒存在。随回流时间的延长，锐钛矿相衍射峰强度随回流时间的延长，锐钛矿相衍射峰强度逐渐变得尖锐明显，这说明随回流时间的逐渐变得尖锐明显，这说明随回流时间的增加，锐钛矿相含量相应增加，晶粒的粒增加，锐钛矿相含量相应增加，晶粒的粒径逐渐长大，结晶程度高。径逐渐长大，结晶程度高。4为表征红外灯干燥后薄膜表面为表征红外灯干燥后薄膜表面 TiO2的晶相，的晶相， 以洁净玻璃片为参比对薄膜进行以洁净玻璃片为参比对薄膜进行 XRD分析。分析。 RS2 制备的制备的 TiO2 薄膜表面没有锐钛矿薄膜表面没有锐钛矿衍射峰的存在，原因可能是衍射峰的存在，原因可能是 RS2 结晶度低结晶度低且薄膜表面含有的且薄膜表面含有的 TiO2 量少，量少， 衍射峰强度衍射峰强度弱被玻璃基片干扰而不能出现。弱被玻璃基片干扰而不能出现。由由 RS6 和和 RS10制备的制备的 TiO2薄膜表面薄膜表面含有明显的锐钛矿相衍射峰，这说明薄膜表含有明显的锐钛矿相衍射峰，这说明薄膜表面含有良好锐钛矿结晶相的面含有良好锐钛矿结晶相的 TiO2，采用这种，采用这种工艺直接干燥就可得到具有光催化活性的工艺直接干燥就可得到具有光催化活性的 TiO2 薄膜。薄膜。RS和和 TiO2 薄膜的薄膜的 XRD分析分析5RS2 溶胶制备的溶胶制备的 TiO2 薄膜表面很平滑，看不到锐钛矿晶粒的存在。薄膜表面很平滑，看不到锐钛矿晶粒的存在。随溶胶回流时间的延长，随溶胶回流时间的延长，RS6 制备的制备的 TiO2 薄膜表面出现了粒径为薄膜表面出现了粒径为 3040 nm的球的球形锐钛矿相晶粒，形锐钛矿相晶粒， 并且晶粒之间排列非常均匀致密，并且晶粒之间排列非常均匀致密， 薄膜中没有发现气孔，薄膜中没有发现气孔， 仅有仅有少许裂纹存在。少许裂纹存在。随回流时间的进一步增加，由随回流时间的进一步增加，由RS10制备的制备的TiO2薄膜中锐钛矿相晶粒的粒径不断增薄膜中锐钛矿相晶粒的粒径不断增大，达大，达5070 nm，并且薄膜表面仍然保持均匀致密，但此时薄膜粗糙度有一定增，并且薄膜表面仍然保持均匀致密，但此时薄膜粗糙度有一定增加。这说明回流时间对加。这说明回流时间对 RS 中锐钛矿晶粒的粒径影响很大，随回流时间延长，中锐钛矿晶粒的粒径影响很大，随回流时间延长，RS中中锐钛矿相结晶度不断提高，晶粒粒径不断增加，可见回流时间增加有助于锐钛矿相结晶度不断提高，晶粒粒径不断增加，可见回流时间增加有助于 TiO2 晶粒晶粒的生长。的生长。 经过回流处理的经过回流处理的 RS在较低温度可生成锐钛矿相，在较低温度可生成锐钛矿相， 这些锐钛矿相的小晶粒大小相似，这些锐钛矿相的小晶粒大小相似， 分布均匀，分布均匀， 提高了体系的表面积。提高了体系的表面积。TiO2 薄膜的薄膜的 SEM 分析分析 6RS2 薄膜的透光率良好，在可见光区透光薄膜的透光率良好，在可见光区透光率超过率超过 80，透明的薄膜有利于实，透明的薄膜有利于实 际应用。际应用。3 种薄膜在种薄膜在350 nm左右均有强吸收现象，左右均有强吸收现象，RS2 薄膜透光性最好，这是因为薄膜透光性最好，这是因为RS2溶溶胶制备薄膜表面含有未分解完全的过氧钛酸胶制备薄膜表面含有未分解完全的过氧钛酸溶胶和少量锐钛矿晶粒，溶胶和少量锐钛矿晶粒， 对光的吸收较弱，对光的吸收较弱，使得使得 RS2 薄膜透光率高。薄膜透光率高。 随回流时间的增加，随回流时间的增加， RS6和和 RS10 薄膜薄膜的透光率下降，这是因为的透光率下降，这是因为 RS6 和和RS10 薄膜表面的薄膜表面的 TiO2结晶度增加，薄膜表面分结晶度增加，薄膜表面分布着均匀致密的锐钛矿晶粒，对可见光的反布着均匀致密的锐钛矿晶粒，对可见光的反射和吸收增加，薄膜透光率下降。射和吸收增加，薄膜透光率下降。随反应时间不断增加，甲基橙降解率也相随反应时间不断增加，甲基橙降解率也相应增加，其中由应增加，其中由RS6 制备的制备的TiO2 薄膜光薄膜光催化性能最好，催化性能最好，120 min 内甲基橙脱色率内甲基橙脱色率达到达到 99%以上以上。 TiO2 薄膜的薄膜的 UV-VIS 以及光催化活性分析以及光催化活性分析7结论结论以无机以无机盐TiOSO4TiOSO4、氨水、氨水为原料，原料，H2O2H2O2为络合合剂，通，通过沉淀、胶溶回流沉淀、胶溶回流处理理等步等步骤制制备了了RSRS， 以以RSRS为前前驱体通体通过浸浸渍 涂覆法涂覆法经红外灯干燥在普通玻璃外灯干燥在普通玻璃基片上制基片上制备了了TiO2TiO2薄膜。薄膜。 由由RSRS经红外灯干燥就可得到均匀的、含有外灯干燥就可得到均匀的、含有锐钛矿晶相的晶相的TiO2TiO2薄膜，并且薄薄膜，并且薄膜附着力良好。随回流膜附着力良好。随回流时间延延长，薄膜表面晶粒粒径不断增加，薄膜透光率，薄膜表面晶粒粒径不断增加，薄膜透光率由于由于结晶度增加而相晶度增加而相应下降。下降。 由由RS6RS6制制备的的TiO2TiO2薄膜具有良好的薄膜具有良好的结晶度和晶粒粒径以及合适的晶度和晶粒粒径以及合适的过氧基氧基团含量，使得光催化性能最好，含量，使得光催化性能最好，120min120min内内对甲基橙的降解率达到了甲基橙的降解率达到了99%99%。8谢谢大家！谢谢大家！9