水-氣界面自組裝合成二氧化鈦薄膜

費海娟

江蘇省南通市廣播電視大學 226006

1.概述

薄膜材料一直都是影響國家生產力的關鍵因素，納米材料的廣泛研究為納米結構薄膜材料的開發和研究提供了堅實的基礎。目前，利用自組裝的方法制備類似生物材料的有序納米結構，從分子到宏觀物體的各種不同尺度下的自組裝體系一直是研究的熱點，技術也已經較為成熟，出現了多種方法如水-氣界面自組裝、層層自組裝、熱處理自組裝和氣相沉積法自組裝等[1]。

二氧化鈦薄膜技術在工業上具有很大的應用價值，因為與其他材料如SiO2和ZrO2相比，它有獨特的優點，如高的水通量，半導體，催化和耐化學性。

研究表明[2]，加入表面活性劑能使新型納米多孔材料具有較大的孔徑。本文采用聚乙二醇（PEG）作為有機添加劑，通過控制PEG的量，可以制備出更小尺寸和形狀的二氧化鈦薄膜納米顆粒膜。

2.實驗

化學試劑：去離子水，鈦（IV）的正丁醇（80 %）的溶液，聚乙二醇（PEG），三乙胺（TEA），十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）。薄膜的合成和轉移采用以下2種方法：

（a）鈦（IV）的正丁醇（1克）被逐滴加入到大量過量的茶（6.7克）。黏稠的混合物在室溫下攪拌10分鐘，直到它變得幾乎清晰的淡黃色。然后加水（22）在室溫下攪拌1～2分鐘。然后加入固體結晶C16TAB（0.55克）室溫下繼續攪拌1～2分鐘，再過5分鐘渾濁的溶液成為無色透明。將足量的該溶液（pH＝9～10）輕輕倒入樣品槽，以確保厚度約為1mm。

（b）鈦（IV）的正丁醇（1克）被逐滴加入到大量過量的茶（6.7克），將混合物攪拌10分鐘，得到淡黃色的溶液轉移到樣品槽。然后CTAB（0.55克）加0.2gPEG,溶解在水中后輕輕倒入樣品槽的淺黃色溶液中(pH＝9～10)。

容器是密封的，在18～21℃下，靜置48～72小時直到可以觀察到空氣-水界面有薄膜形成。薄膜的生長過程中，與膜的底部接觸，它可以被轉移到一個玻璃基板中，以便進行進一步的實驗。

3.結果與討論

對這兩種薄膜進行X射線衍射（XRD），收集電子顯微鏡TEM圖像。結果顯示用CTAB制備的二氧化鈦薄膜，是非常薄的，脆弱的，分散的，在聚乙二醇的存在下制備的薄膜與CTAB制備的薄膜外觀十分相似。很難區分。

可以看出，2θ在低角度的主要峰，可用于薄膜的觀察。有明顯的反射歸因于層狀結，值得注意的是，兩個測量的d間距的膜無PEG（2.3nm）和含有PEG（2.4nm）都是小于兩倍的CTAB分子的長度，兩個測量的d間距的膜無PEG（2.3nm）和含有PEG（2.4nm）變化不是很大。

圖1 二氧化鈦薄膜XRD

圖2 二氧化鈦薄膜的SEM

二氧化鈦薄膜在聚乙二醇存在下的掃描電鏡圖像（圖a）顯示，大量的自組裝二氧化鈦顆粒堆積在一起，薄膜表面滿是蠕蟲狀孔隙， 顯然這是由堆積空隙所致。

4.結語

以CTAB為模板，在聚乙二醇氣液界面自組裝得到的二氧化鈦薄膜的顆粒呈蠕蟲狀多孔結構。從SEM圖像可以看出，這種方法制備的薄膜具有不規則的棒狀顆粒，在CTAB中加入PEG制備出的薄膜表面則是由更小的粒子組成，這是因為在空氣-水界面薄膜的納米顆粒可以與大分子有效相互作用[3]，即通過茶三羥基將二氧化鈦顆粒與PEG鏈連接。

所以，結構表明，自組裝過程中，分子在界面的識別至關重要，組裝完成后其最終的結構具有最低的自由能。

[1]胡成春.生存之源：探求新能源[M].北京：金盾出版社，科學出版社，1998.

[2]施惠生.材料概論 [M].上海：同濟大學出版社，2002.

[3]X. H. Liu, C. Kan, X. Wang, X. J. Yang and L. D. Lu, J. Am.Chem. Soc.