溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜的研究进展.doc

溶胶2凝胶法制备二氧化钛薄膜的研究进展 摘　要:光催化净化空气是一项造福人类的绿色环保技术。TiO2 薄膜化是光催化技术实用化的关键。介绍了近几年来溶胶凝-胶法制备TiO2 薄膜光催化净化空气的研究进展,对溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜的各种影响因素进行了分析,并探讨了提高TiO2 薄膜光催化能力的途径及其相关的光催化反应系统。 关键词:溶胶-凝胶法;二氧化钛;薄膜;光催化;空气净化 　 光催化研究从发现到产品的应用开发至今已有30 年的历史,其应用领域仍在不断扩展。目前,国外的研究主要体现在产品化上。TiO2 光催化剂具有氧化活性高、深度氧化能力强、活性稳定、抗湿性好和强力杀菌等优异性能,在降解废水中有机污染物、去除有害无机气体、杀菌和净化空气等方面具有广阔的应用前景[1 ]。尤其可以将低浓度的有机污染物完全降解为无害的无机物,使得光催化技术有望成为一种去除空气中各种挥发性污染物的有效方法。前些年气态有机污染物的光催化氧化主要集中在利用纳米TiO2 粉体上,但粉末型TiO2 光催化剂由于存在分离困难、易凝聚和不适合流动体系等缺点,难以投入实际应用。近年来,以溶胶-凝胶法为基础的TiO2 薄膜制备方法成为光催化剂的研究热点,也是目前光催化剂实用化的关键。许多研究者在TiO2 光催化剂薄膜化应用于降解有机污染物、废水处理和空气净化等方面开展了卓有成效的研究[2 ] ,但对于溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜用于光催化净化空气及其影响因素尚未进行过系统评述。本文综述了近年来溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜应用于光催化净化空气的研究进展,分析了影响TiO2 薄膜制备及其光催化性能的各种因素,对光催化技术及产品的研究与开发具有一定的指导意义。 1 　溶胶2凝胶法制备TiO2 薄膜 溶胶2凝胶法一般以钛醇盐及其相应的溶剂为原料,加入少量水及不同的酸和络合剂等,经搅拌和陈化制成稳定的溶胶,然后用浸渍提拉、旋转涂层或喷涂等方法将溶胶施于经过清洁处理的机体表面,最后经干燥焙烧,在机体表面形成一层薄膜。利用溶胶2凝胶法制备TiO2 薄膜有以下优点: (1) 可通过简单的设备,在各种规格和各种形状的机体表面形成涂层; (2) 可获得高度均匀的多组分涂层和特定组分的不均匀涂层; (3) 可获得粒径分布比较均匀的涂层; (4) 可通过多种方法对薄膜的表面结构和性能进行修饰; (5) 负载膜催化剂易回收利用,在催化反应中容易处理。该方法也存在一些缺点: (1)干燥过程中由于溶剂蒸发产生残余应力导致薄膜容易龟裂; (2) 焙烧时由于有机物的挥发及聚合骨架的破坏,易导致薄膜龟裂出现裂缝,甚至脱落; (3)薄膜的应力影响限制了薄膜的厚度; (4) 溶胶的粘度、温度、浓度和机体的波动等因素影响制备的薄膜质量; (5) 由于机体比较光滑,薄膜与机体之间作用力小,负载牢固性差。 1. 1 　溶胶溶液组成的影响 制备光催化TiO2 薄膜的溶胶通常受到钛醇盐种类、溶剂、水的添加量、酸催化剂以及络合添加剂等因素的影响。 1. 1. 1 　醇盐种类的影响 溶胶2凝胶法制备TiO2 薄膜中常用的钛醇盐有钛酸乙酯、钛酸四异丙酯和钛酸丁酯等。不同的钛醇盐会形成不同的结构。钛酸乙酯常形成复杂的二聚物结构,钛酸四异丙酯为单体结构,而钛酸丁酯主要以三聚物形式存在。一般而言,单聚物比齐聚物具有更小的位阻,因而具有更高的水解2聚合反应活性。如钛酸四异丙酯比钛酸乙酯和钛酸丁酯对湿度更敏感[3 ] 。 1. 1. 2 　溶剂的影响 溶剂对溶胶凝胶合成过程的影响是通过烷烃基的取代反应或其他基团的取代络合反应等而产生的,通过烷烃基的斥电性、空阻效应和络合能力来影响金属醇盐的水解和缩聚的程度。同时,不同溶剂在溶胶凝胶热处理过程中,由于分解和燃烧的温度不同,会影响材料的晶化过程。黄云龙等以钛酸丁酯为前驱体,在相同的工艺和测试条件下(pH = 3) ,比较了不同溶剂(乙醇,异丙醇,丙醇,丁醇) 的溶胶凝胶的动力粘度与凝胶时间的关系。结果发现,对于所有的溶剂,钛酸丁酯的溶胶凝胶过程都有一个凝胶化的“临界值”。相比较而言,乙醇溶液的凝胶化时间最短,异丙醇次之,丙醇和丁醇溶液则具有较长和较为接近的凝胶化时间。 1. 1. 3 　水量的影响 加水量多少直接影响水解聚合产物的结构。水量多能使溶胶的凝胶时间大大缩短,有时会立即生成氧化物沉淀,较多的含水量可降低TiO2 薄膜的表面积和气孔体积;水量少时,会形成不连续的薄膜。 1. 1. 4 　酸种类的影响 制备均匀且有序的薄膜需要控制溶胶的水解速率,使水解比缩合速率稍慢,但聚合速率又不能过快。加入酸作催化剂不仅可以加快醇盐的水解速率,同时可减慢醇盐的聚合反应速率。不同的酸作催化剂,对焙烧后得到的TiO2 的结构亦会产生影响。Danilo 等发现在盐酸催化条件下,60