TiO2 薄膜的制备及其光催化性能表征

随反应时间不断增加，甲基橙降解率也相 应增加，其中由RS–6 制备的TiO2 薄膜光 催化性能最好，120 min 内甲基橙脱色率 达到 99%以上。
结论
以无机盐 TiOSO4、氨水为原料，H2O2 为络合剂，通过沉淀、胶溶回流处 理等步骤制备了RS， 以 RS为前驱体通过浸渍–涂覆法经红外灯干燥在普通 玻璃基片上制备了 TiO2 薄膜。 由 RS经红外灯干燥就可得到均匀的、含有锐钛矿晶相的 TiO2 薄膜，并且薄 膜附着力良好。随回流时间延长，薄膜表面晶粒粒径不断增加，薄膜透光率 由于结晶度增加而相应下降。 由 RS–6 制备的 TiO2薄膜具有良好的结晶度和晶粒粒径以及合适的过氧基团 含量，使得光催化性能最好，120 min 内对甲基橙的降解率达到了99%。
TiO2 薄膜的制备及其光催化性 能表征
研究背景
• 1972年，Fujishima等首次报道TiO2 电极表面光催化分解水制备氢气 的实验结果[1]； • TiO2 作为一种光催化材料因其良好的光化学稳定性、抗磨损性和廉 价无毒等特点备受人们的重视，在降解污染物及杀菌方面的研究不断 深入[2–3]; • TiO2 不仅能够将有机物污染物降解为 CO2 和 H2O，同时也可氧化分 解除去大气中低浓度的氮氧化物NOx和含硫化合物 H2S等有害气体; • TiO2 是目前公认的光催化反应非常好的催化剂，但对于悬浮水体系 而言，TiO2 粉末状光催化剂在使用过程中存在分散性差、利用率较 低和不易回收等问题。纳米 TiO2 薄膜避免了上述缺点而得到广泛的 关注[4–6];
TiO2 薄膜的制备
制备方法主要采用溶胶–凝胶法。 优点：合成温度低，纯度高，以无机盐 TiOSO4、氨水为原料，H2O2（质量分数为 30%）为 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 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 100 ℃煮沸， 保温时间设定为 2，6，10 h，将相应的溶胶样品分别编号为 RS–2，RS–6， RS–10。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 6 cm/min，湿膜用红外灯干燥 30 min，红外灯距薄膜距离为 20 cm，干燥 温度保持在 100 ℃左右，重复以上过程 3～4 次，得到一定厚度的 TiO2 薄 膜。
RS和 TiO2 薄膜的 XRD分析
RS–2 已经开始出现锐钛矿相的衍射峰但 比较微弱，这说明 RS–2 结晶度低； RS–6，RS–10 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 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 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 径逐渐长大，结晶程度高。
Ref: [1] FUJISHIMA A, HONDA K. Nature, 1972, 238(5358): 37–38. [2] ICHINOSE H, KAWAHARA A. J Ceram Soc Jpn, 1998, 106(3): 344–347. [3] GE Lei, XU Mingxia, SUN Ming. Mater Lett, 2005, 60(2): 287–290. [4] LEE C K, KIM J K, LEE J H. J Sol Gel Sci Technol, 2004, 31(1–3): 67−42. [5] SONAWANE R S, KALE B B, DONGARE M K. Mater Chem Phys, 2004, 85(1): 52−57. [6] SANKAPAL B, LUX-STEIER R, ENNAOUI A. Appl Surf Sci，2005, 239(2): 165−170.
RS和 TiO2 薄膜的 XRD分析
为表征红外灯干燥后薄膜表面 TiO2的晶相， 以洁净玻璃片为参比对薄膜进行 XRD分析。 RS–2 制备的 TiO2 薄膜表面没有锐钛矿 衍射峰的存在，原因可能是 RS–2 结晶 度低且薄膜表面含有的 TiO2 量少， 衍射 峰强度弱被玻璃基片干扰而不能出现。 由 RS–6 和 RS–10制备的 TiO2薄膜表面 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 TiO2， 采用这种工艺直接干燥就可得到具有光 催化活性的 TiO2 薄膜。
TiO2 薄膜的 UV-VIS 以及光催化活性分析
RS–2 薄膜的透光率良好，在可见光区透光 率超过 80％，透明的薄膜有利于实 际应 用。 3 种薄膜在350 nm左右均有强吸收现象， RS–2 薄膜透光性最好，这是因为RS–2溶 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， 对光的吸收较 弱，使得 RS–2 薄膜透光率高。 随回流时间的增加， RS–6和 RS–10 薄膜 的透光率下降，这是因为 RS–6 和RS–10 薄膜表面的 TiO2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 反射和吸收增加，薄膜透光率下降。
TiO2 薄膜的 SEM 分析
RS–2 溶胶制备的 TiO2 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，RS–6 制备的 TiO2 薄膜表面出现了粒径为 30～40 nm的 球形锐钛矿相晶粒， 并且晶粒之间排列非常均匀致密， 薄膜中没有发现气孔， 仅 有少许裂纹存在。 随回流时间的进一步增加，由RS–10制备的TiO2薄膜中锐钛矿相晶粒的粒径不断增 大，达50～70 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 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，RS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 TiO2 晶 粒的生长。 经过回流处理的 RS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， 分布均匀， 提高了体系的表面积。
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