溶胶凝胶法制备TiO2薄膜的研究
崔丽华
摘 要：采用溶胶-凝胶（sol-gel）TiO2粉末粘结剂刮片法和TiO2溶胶直接制膜两种方法，分别在铝合金基体上制备TiO2膜，并研究了膜的光催化性能。使用X射线衍射仪（XRD）对TiO2膜进行表征；使用分光光度计评价TiO2膜的光催化性。结果表明：铝合金基体上制备TiO2膜具有锐钛矿结构，较TiO2粉体制膜相比，采用TiO2溶胶制膜，膜的光催化活性更好。
关键词：溶胶-凝胶法；TiO2膜；浸渍提拉
1 引言
TiO2光催化剂具有氧化活性高、氧化能力强、化学性质稳定、深度杀菌、安全无毒、难溶、成本低等优异性能，在水处理、空气净化、杀菌除臭、自清洁等领域得到广泛关注。粉末TiO2在光催化过程中与处理液不易分离，TiO2膜可很好地解决这一问题[1-6]。铝合金具有比强度高、耐腐蚀性好等性能。目前，铝合金表面改性只局限于通过增加其表面硬度实现其力学性能的改善，对其表面进行光学性能的改性少有涉及。所以研究如何实现铝合金较好力学性能和TiO2优良光学性能的结合有一定的意义，可拓宽TiO2膜光催化性能的应用。截至目前为止， 许多物理化学手段被用于制备TiO2 薄膜， 如：沉积法、活性TiO2粉末制膜、溶液浸渍法和溶胶-凝胶（sol-gel）等方法[7-9]。在这些方法中，溶胶-凝胶法以其合成温度低、产品纯度高、均匀性好、化学成份准确、成膜均匀、工艺简单等优点而成为制备TiO2薄膜最常用的方法之一。因此，本文采用溶胶-凝胶法在铝合金基体制备TiO2 薄膜，结合XRD对TiO2膜进行表征，以甲基橙溶液的光催化降解为反应模型，评价薄膜的光催化性能，以期拓展TiO2在光催化领域的应用。
2 实验内容
铝合金基片尺寸规格为 15 mm×10 mm×1 mm，无水乙醇和去离子水超声清洗，干燥。实验原料均为分析纯。TiO2溶胶的丁达尔现象如图1所示。
2.1 TiO2溶胶的制备
将136 mL钛酸丁酯溶于160 mL无水乙醇，强烈搅拌0.5 h，得到混合溶液A。另将24 mL去离子水、80 mL无水乙醇和14 mL冰醋酸混合均匀，得到混合溶液B。在连续搅拌A液中，将B液以每秒2～3滴的速度滴加入A液中，每隔5 min测定溶液pH值，并用浓盐酸调节溶液pH值保持在2～3之间。加入1g聚乙二醇（PEG6000）并持续搅拌60 min，得到透明的淡黄色TiO2溶胶。
2.2 TiO2粉体的制备
将上述TiO2溶胶静置约2 h，溶液失去流动性成为TiO2凝胶，放入电热恒温干燥箱内60 ℃干燥12 h得黄色晶体；然后在玛瑙研磨里研制成粉末，并过300目筛，放入马弗炉中500 ℃恒温烧结2 h，得到TiO2粉体。
2.3 TiO2薄膜的制备
溶胶-凝胶TiO2粉末粘结剂刮片法制备薄膜样品1：将TiO2粉体与A216酸性玻璃胶搅拌均匀，用刮刀将其均匀地涂抹在Al基体上，自然干燥12 h，在Al基体上制得了TiO2薄膜。
TiO2溶胶制备薄膜样品2：把经预处理的Al基片浸入TiO2溶胶中1 min之后，以2.5 mm/s的速度提拉即可在基体表面形成一层均匀的TiO2凝胶。在电热恒温干燥箱内100 ℃干燥20 min。重复上述操作可制备多层膜。最后，把载有TiO2凝胶的Al基片放入马弗炉中，以升温速度为2 ℃/min，500 ℃恒温烧结2 h，得到TiO2薄膜。
2.4 TiO2薄膜的表征
TiO2样品的XRD图如图2所示，甲基橙的标准吸收曲线如图3所示，10 mg/mL的甲基橙溶液不同波长下的吸光度曲线如图4所示，TiO2薄膜对甲基橙溶液催化性能的影响如图5所示。
由图2可知，TiO2粉体和样品2在2θ=25.35°、37.78°、48.08°、53.92°、55.11°处均有锐钛矿相的特征衍射峰，样品1只在2θ=25.35°处出现较强的锐钛矿相的特征衍射峰，其余衍射峰强度非常弱。说明采用sol-gel法TiO2溶胶直接制膜的结晶较好。另外，衍射过程中TiO2薄膜被击穿而透射至铝基体致金属Al衍射峰较高。
根据朗伯-比耳定律， （1）
式（1）中，A为溶液吸光度，C为溶液浓度，即溶液的吸光度与溶液的浓度呈正比例关系。
由图3甲基橙溶液的标准吸收曲线计算 =■=0.033，验证了甲基橙溶液的浓度与吸光度呈正比例关系。
由图4可知，待处理液10 mg/mL的甲基橙溶液的最大吸收波长为460～480 nm之间，选择468 nm的波长进行吸光度测试。将样品1和样品2薄膜分别放入甲基橙溶液中，每隔20 min，用紫外可见分光光度计测定处理液在最大吸收波长468 nm处的吸光度A。据标准吸收曲线计算出在一段时间内甲基橙溶液的降解率α[10]。
α=■×100%（2）
式（2）中，A0为光照前甲基橙溶液的吸光度；A1为光照时间t时甲基橙溶液的吸光度。由图5可知，样品1薄膜和样品2薄膜均使甲基橙溶液的吸收峰强度降低，而且采用TiO2溶胶制备样品2薄膜的降解率高，光催化活性好。
3 结论
采用溶胶-凝胶TiO2粉末粘结剂刮片法和TiO2溶胶直接制膜两种方法，分别在铝合金基体上制备TiO2膜，500 ℃恒温烧结2 h。XRD检测表明：两种方法均能得到锐钛矿相的TiO2薄膜，TiO2溶胶直接制膜的结晶性能更好，对甲基橙溶液的降解率更高。说明TiO2溶胶在铝合金基体制膜具备一定的光催化活性，可应用在光催化治理环境污染的领域中。
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