溶胶-凝胶法制备的sio2––tio2复合薄膜的自然超亲水性能的研究

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1、摘要：溶胶-凝胶法制备的SiO2––TiO2复合薄膜是由一种SiO2聚合溶液和任一种TiO2聚合溶液的母液（MS）或派生的TiO2的结晶悬浮液（CS）沉积而成。用傅立叶红外光谱，X射线衍射和X-射线光电子能谱研究了经110或500℃热处理的MS和CS复合膜的化学结构组成。亲水角的测量结果表明，富含TiO2的MS薄膜表现出光诱导超亲水性，但在紫外光缺失情况下不能保持0度亲水角。相反，CS复合膜在较大组成范围内表现出自然和持久的超亲水性。在SiO2–TiO2界面对复合膜的超亲水性能进行了增强酸度分析，并且讨论了MS和CS膜的相

2、对化学结构组成。简介：在紫外线照射下锐钛矿晶型的TiO2首先表现出光诱导超亲水性。通过诱导的光生电子（e–）/孔(h+)对使TiO2发生氧化还原（Ti4++e-Ti3+和2O2-+2h+O2）产生表面氧空位(O2)。通过对分子或解离的大气水吸附，表面氧空位可以由OH基团饱和，从而产生超亲水表面即表面显示亲水角为0。超亲水表面对水比对碳（污染）掺杂具有更高的亲和力。因此，吸附在表面得污染物很容易被清水冲洗掉从而不须要任何洗涤剂就可产生一个自清洁表面。然而，当复合膜表面置于黑暗中时，由于羟基中的氧被空气中的氧置换，光诱导的超亲

3、水性能可以转变为疏水性。从实际情况考虑，复合膜的表面不能永久性地被紫外线照射如阳光。因此，一个理想的自洁表面有两个评判标准，即光诱导超亲水性能及其在紫外光缺失条件下的持久性。Machida等人[3]首先报道了随着复合膜中SiO2的摩尔分数从10–30%增加过程中的TiO2薄膜的最佳光诱导亲水性能即复合膜可以在黑暗中保存的时间。RENet[4]也报道了SiO2—TiO2薄膜具有良好的亲水性和可以增强对底物附着力。结果表明，SiO2含量的增加不仅提高了锐钛矿型的TiO2的光诱导超亲水性能也提高了其光催化活性[5,6]。为了探究

4、复合SiO2–TiO2薄膜自清洁作用的应用，Guan[7]研究了光催化和光诱导超亲水性能之间的关系。他提出SiO2—TiO2复合膜中SiO2用量对光催化和光诱导超亲水性能有不同的影响。在复合膜中加入摩尔分数为10–20%的SiO2可以得到具有最佳的光催化活性的薄膜，而加入摩尔分数为30–40%的SiO2可以得到具有最佳的光诱导超亲水性能的薄膜。此外，一些研究已经表明，TiO2薄膜中SiO2含量的增加会阻碍二氧化钛结晶[8，9]。Lee等人研究[8]表明，在复合膜的煅烧过程中，当增加SiO2含量时复合膜中的TiO2从无定形相

5、转变到锐钛矿相，以及由锐钛矿相向金红石相转变需要更高的温度。此外，Yu等人研究[10，11]表明，复合膜中SiO2含量的增加对TiO2的晶体生长具有抑制效果，因为在热激活生长过程中二氧化钛粒子之间的接触受到二氧化硅的阻碍。最近，Guan等研究[7，12]表明，复合膜中SiO2含量的增加可以增强TiO2—SiO2的表面酸性，从而提高复合薄膜表面的羟基含量进而增强光的亲水性能。在目前的工作中，采用溶胶凝胶工艺的SiO2—TiO2薄膜是沉积而成。包含不同SiO2含量的前体溶液是由两种不同的钛前驱体溶胶制备的。使用一个标准的溶胶凝

6、胶过程[13]制备第一种TiO2溶胶，在高温下，沉积后处理得到结晶的TiO2薄膜。使用一个特定的溶胶凝胶路线制备[14]包含锐钛矿型纳米晶悬挂的第二种TiO2溶胶。以往的研究工作表明，该悬浮液能制备兼具低温加工光学级光催化[15]和[16]光诱导超亲水性能的复合膜。在这篇文章中，探究了由两种不同的TiO2溶胶沉积制备的SiO2—TiO2复合薄膜的亲水性原理和如何优化其亲水性能。1实验部分：1.1SiO2–TiO2复合膜的制备：从TiO2和SiO2前驱体溶胶的混合物沉积而成的二氧化硅–二氧化钛复合薄膜含有SiO2摩尔分数0–

7、100%。根据先前公布的实验步骤[17]在无水乙醇，去离子水，盐酸（HCl）加入稀释的硅酸乙酯（TEOS）聚合物制备一种SiO2溶胶。首先制备一种TEOS的摩尔浓度为2.3，H2O/TEOS摩尔比为2.2和pH值为3.5的高浓度溶胶。将这种溶胶在60℃保存2天。然后，用无水乙醇将这种高浓度溶胶稀释到TEOS的摩尔浓度为1.5。其余步骤相同，只采用两种不同的溶胶凝胶路线制备TiO2前驱体溶胶。第一种方法是以去离子水，HCl和无水乙醇作为溶剂[13]，与钛酸四异丙酯（TIPT）混合制备而成聚合物母液（MS）。在溶液中TIPT的

8、摩尔浓度为0.4和TIPT/水/HCl的摩尔组成为1/0.82/0.13。使该溶液在老化沉积或掺入SiO2溶胶之前在室温下静置保存2天。第二种方法是在无水乙醇中制备二氧化钛纳米微晶[14]的晶体悬浮液（CS）。MS悬浮液的制备是一个多步骤的过程。首先用过量的去离子水稀释MS（H2O/TIPT的摩尔比为9