电化学阳极氧化生长纳米晶光催化TiO-%2c2-薄膜.pdfVIP

电化学阳极氧化生长纳米晶光催化Ti02薄膜+ 沈嘉年，宋江江，李凌峰 00072 (上海大学材料研究所 上海市延长路149号，2 E—mail：ji§!iiⅡ§2Q!!i!!：!n：￡!，； 摘要Ti0：作光催4-E．tg,境净化材料的研究方兴未艾，各种纳米结构Tio，的制备技术也在不断 研究发展中．本文研究电化学阳极氧化方法在钛上制备纳米晶Ti02薄膜过程，研究表明，将 工业纯钛片暴露于电介质溶液并加一定电压，钛表面将氧化生长Ti02薄膜．适当控审5氧化电 压、溶液温度，可以得到非晶氧化膜，再进行控制条件下的晶化处理，得到锐钛矿相纳米晶 Yi0，薄膜。研究了电化学氧化过程氧化膜生长动力学，发现在O-807电压范囤内．氧化膜随 电压增加而增厚，在一定电压下氧化膜有一恒定的厚度，氧化膜厚度和氧化电流随时闸而逐 20—l5o℃．对电 步降低呈对数规律．DSC热分析测定表明非晶氧化膜的起始晶化温度约为1 化学氧化得到的非晶氧化膜进一步晶化处理表明，在150℃空气中处理约8小时，可得到部 o一5 分晶化的锐钛矿相TiO，膜．其晶粒度约在1Ohm。用TEN，X-g目射表征T10，薄膜的晶体形 貌与相结墙 关键词：电砣擘，二氧化钛薄膜，纳米晶 I．前言 Tlo!作为光催化环境净化材料的研究方兴未艾，Ti吼结构尺寸的纳米化，可以产生量子 化效应．大大提高催化活性I-20各种纳米结构Ti吨的制备技术在不断研究发展中。作为光催 化剂应用时．纳米Tm!粉体必须要解决易团聚及固定的难题，近年来发展了物理气相沉积 (PVD)制备Ti仉光催化薄膜的方法，它可以在玻璃等各种不同基体上沉积纳米晶Ti％薄膜， 但它也存在沉积速度慢，效率低，成本较高等不足。一些新的制备纳米结构Ti鸣思想和技术 也在不断研究发展中。 考虑金属钛暴露于氧化性电介质溶液中并加一定电压，钛表面将发生氧化-生长Ti0： 薄膜，目前对金属铝的阳极氧化过程研究较成熟，钛的标准电位为一1．63V，与铝相近卜 】．67V)，并且它们的化学性质也较为相近，但钛阳极氧化过程的研究远不及铝与铝合金 的系统与深入．作为钛阳极氧化的一些基本过程如：氧化膜生长动力学?特别是与光催 。国家自然科学基金资助项目 F100 化有关的关键问题如：阳极氧化膜的晶体与相结构，光吸收特性等尚未认识掌握。。 同时对粉体的研究表明只有结晶良好的二氧化钛才具有光催化活性。固此考虑阳极 氧化膜咀光催化为应用背景时，需要认识阳极氧化得到的非晶Ti 02膜的晶化将非晶转 变为纳米晶过程和伴随的从锐钛矿向金红石相变过程。 2．实验过程与方法 以工业纯钛片作氧化样品，以同种钛片作对电极．样品厚度约03tm，表面积约3era：。 电fr质溶液以磷酸为基本成分，由恒温水浴控制溶液温度。氧化电源为交流调压式稳压电源． 将电化学氧化后的样品用HCl+NaF溶液溶解基体金属，制各透射电镜薄膜样品，咀观 察分析二氧化钛薄膜的晶体形貌与相结构。 用椭圆偏光仪和涡流测厚仪测定氧化膜厚度。 3．实验结果与讨论 3．1Ti如薄膜生长动力学 氧化电压为80V的氧化膜生长动力学曲线如图1所示，开始氧化膜生长较快，随时间逐 渐减慢．到一定时间后氧化膜基本不再增厚，达到恒定厚度。其它氧化电压下的动力学也具 类似的规律， 假设离子(Ti“．(}。)通过氧化膜迁移是Ti％膜生长的限制步骤，氧化膜较薄时，膜中存 在很大的电位梯度E懂离子迁移的势垒下降．根据Mott理论5离子电流i。为 ito．=A‘exp(ZaeE／2kT) ，℃中z——离f的价数：a——势垒的谷问距， 图‘1．．Tiq膜电化学氧化生长动力学，氧化电压80V，交流电，a)膜厚度随氧化时间变化：b) 氧化电流随时闻变化。