溶膠凝膠法制備TiO2薄膜的研究

崔麗華

摘 要：采用溶膠-凝膠（sol-gel）TiO2粉末粘結(jié)劑刮片法和TiO2溶膠直接制膜兩種方法，分別在鋁合金基體上制備TiO2膜，并研究了膜的光催化性能。使用X射線衍射儀（XRD）對TiO2膜進(jìn)行表征；使用分光光度計評價TiO2膜的光催化性。結(jié)果表明：鋁合金基體上制備TiO2膜具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)，較TiO2粉體制膜相比，采用TiO2溶膠制膜，膜的光催化活性更好。

關(guān)鍵詞：溶膠-凝膠法；TiO2膜；浸漬提拉

1 引言

TiO2光催化劑具有氧化活性高、氧化能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、深度殺菌、安全無毒、難溶、成本低等優(yōu)異性能，在水處理、空氣凈化、殺菌除臭、自清潔等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。粉末TiO2在光催化過程中與處理液不易分離，TiO2膜可很好地解決這一問題[1-6]。鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等性能。目前，鋁合金表面改性只局限于通過增加其表面硬度實現(xiàn)其力學(xué)性能的改善，對其表面進(jìn)行光學(xué)性能的改性少有涉及。所以研究如何實現(xiàn)鋁合金較好力學(xué)性能和TiO2優(yōu)良光學(xué)性能的結(jié)合有一定的意義，可拓寬TiO2膜光催化性能的應(yīng)用。截至目前為止， 許多物理化學(xué)手段被用于制備TiO2 薄膜， 如：沉積法、活性TiO2粉末制膜、溶液浸漬法和溶膠-凝膠（sol-gel）等方法[7-9]。在這些方法中，溶膠-凝膠法以其合成溫度低、產(chǎn)品純度高、均勻性好、化學(xué)成份準(zhǔn)確、成膜均勻、工藝簡單等優(yōu)點而成為制備TiO2薄膜最常用的方法之一。因此，本文采用溶膠-凝膠法在鋁合金基體制備TiO2 薄膜，結(jié)合XRD對TiO2膜進(jìn)行表征，以甲基橙溶液的光催化降解為反應(yīng)模型，評價薄膜的光催化性能，以期拓展TiO2在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 實驗內(nèi)容

鋁合金基片尺寸規(guī)格為 15 mm×10 mm×1 mm，無水乙醇和去離子水超聲清洗，干燥。實驗原料均為分析純。TiO2溶膠的丁達(dá)爾現(xiàn)象如圖1所示。

2.1 TiO2溶膠的制備

將136 mL鈦酸丁酯溶于160 mL無水乙醇，強(qiáng)烈攪拌0.5 h，得到混合溶液A。另將24 mL去離子水、80 mL無水乙醇和14 mL冰醋酸混合均勻，得到混合溶液B。在連續(xù)攪拌A液中，將B液以每秒2～3滴的速度滴加入A液中，每隔5 min測定溶液pH值，并用濃鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH值保持在2～3之間。加入1g聚乙二醇（PEG6000）并持續(xù)攪拌60 min，得到透明的淡黃色TiO2溶膠。

2.2 TiO2粉體的制備

將上述TiO2溶膠靜置約2 h，溶液失去流動性成為TiO2凝膠，放入電熱恒溫干燥箱內(nèi)60 ℃干燥12 h得黃色晶體；然后在瑪瑙研磨里研制成粉末，并過300目篩，放入馬弗爐中500 ℃恒溫?zé)Y(jié)2 h，得到TiO2粉體。

2.3 TiO2薄膜的制備

溶膠-凝膠TiO2粉末粘結(jié)劑刮片法制備薄膜樣品1：將TiO2粉體與A216酸性玻璃膠攪拌均勻，用刮刀將其均勻地涂抹在Al基體上，自然干燥12 h，在Al基體上制得了TiO2薄膜。

TiO2溶膠制備薄膜樣品2：把經(jīng)預(yù)處理的Al基片浸入TiO2溶膠中1 min之后，以2.5 mm/s的速度提拉即可在基體表面形成一層均勻的TiO2凝膠。在電熱恒溫干燥箱內(nèi)100 ℃干燥20 min。重復(fù)上述操作可制備多層膜。最后，把載有TiO2凝膠的Al基片放入馬弗爐中，以升溫速度為2 ℃/min，500 ℃恒溫?zé)Y(jié)2 h，得到TiO2薄膜。

2.4 TiO2薄膜的表征

TiO2樣品的XRD圖如圖2所示，甲基橙的標(biāo)準(zhǔn)吸收曲線如圖3所示，10 mg/mL的甲基橙溶液不同波長下的吸光度曲線如圖4所示，TiO2薄膜對甲基橙溶液催化性能的影響如圖5所示。

由圖2可知，TiO2粉體和樣品2在2θ=25.35°、37.78°、48.08°、53.92°、55.11°處均有銳鈦礦相的特征衍射峰，樣品1只在2θ=25.35°處出現(xiàn)較強(qiáng)的銳鈦礦相的特征衍射峰，其余衍射峰強(qiáng)度非常弱。說明采用sol-gel法TiO2溶膠直接制膜的結(jié)晶較好。另外，衍射過程中TiO2薄膜被擊穿而透射至鋁基體致金屬Al衍射峰較高。

根據(jù)朗伯-比耳定律， （1）

式（1）中，A為溶液吸光度，C為溶液濃度，即溶液的吸光度與溶液的濃度呈正比例關(guān)系。

由圖3甲基橙溶液的標(biāo)準(zhǔn)吸收曲線計算 =■=0.033，驗證了甲基橙溶液的濃度與吸光度呈正比例關(guān)系。

由圖4可知，待處理液10 mg/mL的甲基橙溶液的最大吸收波長為460～480 nm之間，選擇468 nm的波長進(jìn)行吸光度測試。將樣品1和樣品2薄膜分別放入甲基橙溶液中，每隔20 min，用紫外可見分光光度計測定處理液在最大吸收波長468 nm處的吸光度A。據(jù)標(biāo)準(zhǔn)吸收曲線計算出在一段時間內(nèi)甲基橙溶液的降解率α[10]。

α=■×100%（2）

式（2）中，A0為光照前甲基橙溶液的吸光度；A1為光照時間t時甲基橙溶液的吸光度。由圖5可知，樣品1薄膜和樣品2薄膜均使甲基橙溶液的吸收峰強(qiáng)度降低，而且采用TiO2溶膠制備樣品2薄膜的降解率高，光催化活性好。

3 結(jié)論

采用溶膠-凝膠TiO2粉末粘結(jié)劑刮片法和TiO2溶膠直接制膜兩種方法，分別在鋁合金基體上制備TiO2膜，500 ℃恒溫?zé)Y(jié)2 h。XRD檢測表明：兩種方法均能得到銳鈦礦相的TiO2薄膜，TiO2溶膠直接制膜的結(jié)晶性能更好，對甲基橙溶液的降解率更高。說明TiO2溶膠在鋁合金基體制膜具備一定的光催化活性，可應(yīng)用在光催化治理環(huán)境污染的領(lǐng)域中。

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