电泳沉积—水热法制备择优取向TiO薄膜的研究

摘要

近年来以TiO2为代表的半导体光催化技术越来越成为一种理想的绿色环境污染治理技术而受到各界的广泛关注。粉体TiO2易失活、易团聚、难以分离和回收等缺点限制了这种形态材料的广泛应用，因而现今多以TiO2薄膜作为研究对象。但是常用的薄膜制备工艺难以满足产物的质量及其工业生产要求。
　　 本文利用电泳沉积及水热处理复合的方法，采用层状钛酸HxTi2-x/4□x/4O4·H2O（HTO）作为薄膜的前驱体材料，在FTO导电玻璃及Pt基底表面成功制备了具有锐钛矿（101）面择优取向的TiO2薄膜。利用XRD、SEM、TG-DTA、UV-VIS等分析测试手段研究了薄膜的表面及截面形貌、物相组成、吸热特性及光谱吸收特性，并探讨了电泳沉积、水热反应机理和光催化反应的相关影响因素。在电泳沉积过程中，随着溶液中乙醇含量的增大，膜层生成所需电压也随之加大；其它条件一定时，薄膜厚度随电压的增大而增厚，但过高的电压输入会造成膜层质量的下降；与此同时，膜层厚度随沉积时间的延长而增厚，它们之间开始呈线性增长关系，而后遵循t1/2—h指数增长规律。经过上述讨论所得的最佳电泳沉积参数为：在水与乙醇体积比为1:1的悬浮液体系中经过50V电压，30min电泳沉积后，所制得的HTO薄膜厚度为425 nm，结构致密、厚度均匀、表面光滑。由于前驱体材料的特殊层状结构以及水热处理相对温和的反应环境使得制备的TiO2薄膜均具有锐钛矿（101）晶面的择优生长特性。通过对水热处理环节各个影响因素（溶剂种类、pH值环境、水热温度和水热时间）的讨论，发现强酸、强碱或其它有机溶剂的环境均不利于HTO→TiO2的转变以及TiO2中理想物相的形成。当水热温度在180℃—200℃之间时，HTO前驱体开始发生转变。当水热作用较短时间（小于24h）或者较长时间（大于24h）时，产物的结晶度和纯度均不理想。经过上述讨论所得最佳水热处理参数为：在纯水体系（pH=7.1）中，通过200℃的水热处理24 h后，HTO前驱体薄膜成功的转化成了具有混合晶型（锐钛矿相和金红石相的体积比为3:1）且表面质量较好的TiO2薄膜材料。利用罗丹明B溶液作为指示剂，分别对在水热与高温煅烧工艺条件下制备的TiO2薄膜进行了光催化性能检测，结果表明前者的光催化性能高出后者三十多个百分点。从中分析得出：晶粒尺寸越小、比表面积越大、产物晶型中锐钛矿与金红石体积比接近7:3的混合型TiO2薄膜，其光催化活性越好。