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膜進行表征；使用分光光度計評價TiO2膜的光催化性。結果表明：鋁合金基體上制備TiO2膜具有銳鈦礦結構，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、化學性質穩定、深度殺菌、安全無毒、難溶、成本低等優異性能，在水處理、空氣凈化、殺菌除臭、自清潔等領域得到廣泛關注。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其力學性能的改善，對其表面進行光學性能的改性少有涉及。所以研究如何實現鋁合金較好力學性能和TiO2優良光學性能的結合有一定的意義，可拓寬TiO2膜光催化性能的應用。截至目前為止， 許多物理化學手段被用于制備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、產品純度高、均勻性好、化學成份準確、成膜均勻、工藝簡單等優點而成為制備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，結合XRD對TiO2膜進行表征，以甲基橙溶液的光催化降解為反應模型，評價薄膜的光催化性能，以期拓展TiO2在光催化領域的應用。

2 實驗內容

鋁合金基片尺寸規格為 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溶膠的丁達爾現象如圖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，并用濃鹽酸調節溶液pH值保持在2～3之間。加入1g聚乙二醇（PEG6000）并持續攪拌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 ℃恒溫燒結2 h，得到TiO2粉體。

2.3 TiO2薄膜的制備

溶膠-凝膠TiO2粉末粘結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：把經預處理的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100 ℃干燥20 min。重復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 ℃恒溫燒結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，甲基橙的標準吸收曲線如圖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°處出現較強的銳鈦礦相的特征衍射峰，其余衍射峰強度非常弱。說明采用sol-gel法TiO2溶膠直接制膜的結晶較好。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系。

由圖3甲基橙溶液的標準吸收曲線計算 =■=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。據標準吸收曲線計算出在一段時間內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 結論

采用溶膠-凝膠TiO2粉末粘結劑刮片法和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 ℃恒溫燒結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，可應用在光催化治理環境污染的領域中。

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