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纳米SiO_2/TiO_2亲水复合薄膜的制备及性能研究

作　者: 谢主伟
导　师: 谢平波
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料学
关键词: SiO2/TiO2薄膜 表面粗糙度 超亲水性 溶胶-凝胶
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


在众多半导体催化材料中,TiO2具有催化活性高、氧化能力强、光稳定性好等特性,成为最常用的一种半导体催化材料。随着世界范围内环境问题的日益严重,利用TiO2薄膜的光催化性和超亲水性进行环境净化已经成研究的热点。本论文主要是制备具有超亲水性能的SiO2/TiO2复合薄膜以及探索其表面粗糙度的变化对其性能的影响,其中TiO2溶胶的制备以TiCl4为原料,氨水为沉淀剂,硝酸为胶溶剂,采用胶溶法低温制备了纳米晶TiO2溶胶。分析了pH值对TiO2溶胶的晶型和晶粒尺寸的影响。其中pH=0.5、1.0、1.5的TiO2溶胶2θ值均在25.3°左右处出现最高衍射峰为锐钛矿型的特征峰。pH=0.5、1.0的TiO2溶胶的XRD的衍射峰的显示其结晶度较高;pH值为1.5的衍射峰的强度较低,其结晶度较差。SiO2溶胶的制备是以正硅酸乙酯（TEOS）为原料,氨水为催化剂,采用水解法制备SiO2溶胶。分析了影响SiO2粒径的因素:氨水量的影响、TEOS量的影响和温度的影响。结果表明:随着氨水的量和TEOS的量增加,SiO2粒径相应增大;提高反应温度,SiO2粒径则减小。通过调节氨水的量,TEOS的量以及反应温度等条件制备了粒径在34nm～145nm的SiO2溶胶。用以上制备的SiO2溶胶和TiO2溶胶为原料制备SiO2/TiO2复合薄膜。以粒径为46nm,70nm,85nm,105nm,145nm的SiO2溶胶,采用压缩空气喷涂法在基片上预镀SiO2薄膜。SiO2薄膜表面粗糙度随SiO2粒径增大而增大。在预先镀有SiO2薄膜的基片上,采用压缩空气喷涂法喷涂纳米TiO2溶胶制备具有不同表面粗糙度的SiO2/TiO2复合薄膜及纯TiO2薄膜。对TiO2薄膜和SiO2/TiO2复合薄膜进行了SEM观察和亲水性测试。结果表明:粒径较大的SiO2颗粒堆积在基片上形成SiO2薄膜,粒径较小的TiO2颗粒填充在SiO2颗粒间的空隙间或SiO2颗粒表面上,形成SiO2/TiO2复合薄膜。由于纳米TiO2颗粒全覆盖在SiO2颗粒上,纳米TiO2颗粒的粒径对SiO2/TiO2复合薄膜的表面粗糙度没有影响,而取决于SiO2的颗粒大小。实验结果表明:纯TiO2薄膜超亲水时间只保持8h,而由粒径较大的85nm、105nm、145nm的SiO2溶胶与纳米TiO2溶胶制备的SiO2/TiO2复合薄膜保持亲水性时间长达120h,表现较好的亲水性。因此可以判断表面粗糙度较大的SiO2/TiO2复合薄膜的亲水时间保持较长。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-28
  1.1 引言  10-11
  1.2 Ti0_2 的晶格结构  11-13
  1.3 Ti0_2 的光催化  13-16
    1.3.1 Ti0_2 光催化原理  13-14
    1.3.2 影响Ti0_2 光催化的因素  14-16
      1.3.2.1 Ti0_2 晶型的影响  14-15
      1.3.2.2 Ti0_2 粒径尺寸的影响  15
      1.3.2.3 掺杂及掺杂光催化剂粒径的影响  15-16
  1.4 纳米Ti0_2 薄膜的制备方法  16-19
    1.4.1 溶胶-凝胶法（sol-gel）  16-17
    1.4.2 化学气相沉积法（CVD）  17-18
    1.4.3 真空蒸镀法  18
    1.4.4 溅射法  18
    1.4.5 液相沉积法  18-19
    1.4.6 喷涂法  19
  1.5 Ti0_2 薄膜的光致超亲水性  19-25
    1.5.1 Ti0_2 薄膜超亲水原理  19-20
    1.5.2 影响Ti0_2 薄膜亲水性因素  20-23
      1.5.2.1 紫外光照射时间和强度影响[60]  21
      1.5.2.2 环境气氛影响[63]  21
      1.5.2.3 热处理条件的影响  21-22
      1.5.2.4 薄膜厚度影响  22
      1.5.2.5 表面粗糙度影响  22-23
    1.5.3 Ti0_2 薄膜超亲水性的应用  23-25
      1.5.3.1 防污自清洁效应及表面易洗性  23-24
      1.5.3.2 表面防雾、防露性  24
      1.5.3.3 提高水下物体的运动速度  24
      1.5.3.4 提高表面热交换效率  24-25
  1.6 立题的目的、意义和主要研究内容  25-28
    1.6.1 目的和意义  25-26
    1.6.2 主要研究内容  26-28
第二章 实验用原料、仪器设备及测试表征方法  28-32
  2.1 实验用原料及仪器设备  28-29
    2.1.1 溶胶凝胶法制备纳米Ti0_2 原料及试剂  28
    2.1.2 溶胶-凝胶法制备不同粒径Si0_2 所用原料及试剂  28-29
  2.2 实验用仪器与设备  29-30
  2.3 实验测试与表征方法  30-31
    2.3.1 X 射线衍射分析（XRD）  30
    2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）  30-31
    2.3.3 颗粒粒度的测量  31
    2.3.4 接触角的测量  31
  2.4 本章总结  31-32
第三章 Ti0_2溶胶、Si0_2溶胶的制备及表征  32-48
  3.1 引言  32
  3.2 锐钛矿型纳米Ti0_2 溶胶的制备  32-36
    3.2.1 锐钛矿型纳米Ti0_2 溶胶的制备原理  32-33
    3.2.2 实验装置  33-34
    3.2.3 锐钛矿型纳米Ti0_2 溶胶的制备过程  34
    3.2.4 纳米Ti0_2 溶胶的XRD 分析  34-36
  3.3 Si0_2 溶胶的制备  36-47
    3.3.1 实验原理  36-37
    3.3.2 Si0_2 溶胶的制备过程  37-47
      3.3.2.1 氨水浓度的影响  38-41
      3.3.2.2 TEOS 浓度的影响  41-44
      3.3.2.3 温度的影响  44-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章 Si0_2/Ti0_2复合薄膜的制备及表征  48-62
  4.1 引言  48
  4.2 Si0_2 薄膜的制备  48-51
    4.2.1 玻璃基片的清洗  48-49
    4.2.2 Si0_2 溶胶的浓度调整  49
    4.2.3 Si0_2 薄膜的制备  49-51
  4.3 Ti0_2 薄膜及Si0_2/Ti0_2 复合薄膜的制备  51
    4.3.1 Ti0_2 薄膜的制备  51
    4.3.2 Si0_2/Ti0_2 复合薄膜的制备  51
  4.4 Si0_2/Ti0_2 复合薄膜的模拟堆积分析  51-53
  4.5 Ti0_2 薄膜及Si0_2/Ti0_2 复合薄膜的SEM 观察  53-56
  4.6 Ti0_2 薄膜及Si0_2/Ti0_2 复合薄膜的亲水性能测试  56-61
  4.8 本章小结  61-62
结论  62-64
参考文献  64-71
攻读硕士学位期间取得的研究成果  71-72
致谢  72-73
附件  73

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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