光催化劑TiO2薄膜的制備工藝

郭偉楠

（赤峰市環(huán)境保護(hù)局內(nèi)蒙古赤峰024000）

光催化劑TiO2薄膜的制備工藝

郭偉楠

（赤峰市環(huán)境保護(hù)局內(nèi)蒙古赤峰024000）

本文介紹了TiO2催化劑的晶體結(jié)構(gòu)和制備工藝，為學(xué)者的研究提供基礎(chǔ)的資料。

TiO2薄膜；制備工藝

光催化氧化還原通常以n型的半導(dǎo)體（如SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2、WO3等）作為催化劑。TiO2由于化學(xué)性質(zhì)以及光化學(xué)性質(zhì)都十分穩(wěn)定，并且價(jià)格低廉、不具有毒性，穩(wěn)定性較好，因此光催化氧化還原通常用TiO2作為光催化劑去除污染物。

TiO2是一種半導(dǎo)體材料，具有良好的光催化性能.1972年Fuj i shi m a［1］報(bào)道了TiO2作為光催化劑分解制備出看H2，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛注意。1977年Bard用TiO2作為光催化劑將水中的CN-氧化為OCN－，從而引起科研工作者對(duì)TiO2光催化性能的探索，特別是在環(huán)境材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)TiO2備受研究者的青睞［2］。

1　 TiO2催化劑的晶體結(jié)構(gòu)

目前，主要有銳鈦礦型和金紅石型這兩種晶型的TiO2用作于光催化劑，相比較而言銳鈦礦型的TiO2催化活性比金紅石型略高［3］。這兩種晶型結(jié)構(gòu)均可由相互連接的TiO6八面體來表示，兩者的不同之處在于八面體間相互連接方式和畸變程度的不同。因此，他們結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致了他們有不同的電子能帶結(jié)構(gòu)與質(zhì)量密度。銳鈦礦型的帶隙（3.3eV）較大于金紅石型的帶隙（3.1eV），質(zhì)量密度（3.894g/cm3）較小于金紅石型的質(zhì)量密度（4.250g/cm3）。金紅石型TiO2的光生電子與空穴容易復(fù)合是因?yàn)楸缺砻娣e略小，對(duì)氧氣的吸附能力略差，因此其催化活性將受到影響［6］。

2　 TiO2薄膜制備工藝

薄膜是與其他物質(zhì)形態(tài)不同的一種新的凝聚形態(tài)，一般是指為微米級(jí)厚度以下的薄層。從它的結(jié)構(gòu)來分可分為單晶、多晶、非晶、微晶或者超晶格等。從化學(xué)組成可分為單質(zhì)、無機(jī)材料以及有機(jī)材料等。制備TiO2薄膜即將TiO2或者前驅(qū)體涂覆在基材上，因而在基材的表面形成一層薄膜。已研究過的被涂覆基材可分為有無機(jī)材以及有機(jī)材料，無機(jī)材料可為各種玻璃、不銹鋼、鋁材，有機(jī)材料可為有機(jī)板。涂覆前驅(qū)體可以是光活性的粉末，也可是含鈦的其他物質(zhì)。基材表面TiO2薄膜的牢固性與光催化性是評(píng)價(jià)涂層制備方法好壞的兩個(gè)重要指標(biāo)［4］。

目前，TiO2的制備方法主要有氣相沉積法、化學(xué)氧化法、水解-沉淀法、溶膠-凝膠法等［5］。

2.1氣相沉積法

物理氣相沉積法是用高溫?zé)嵩醇訜嵩希ǖ入x子體、電弧或高頻等），利用熱蒸汽發(fā)光、發(fā)電使原料形成等離子體或者氣化，然后令其驟冷沉積在基體上。物理氣相沉積法優(yōu)點(diǎn)是能夠保持膜層的完整度和均勻度，但反應(yīng)需要在真空的條件下進(jìn)行，因此物理氣相沉積法對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求較高。

化學(xué)氣相沉積法是在經(jīng)過加熱的基體表面通過化學(xué)反應(yīng)形成不揮發(fā)的薄膜的過程。此方法制備的薄膜純度高，結(jié)晶定向好，但薄膜制備工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大。

2.2化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是將鈦金屬浸入具有氧化性的溶液中生成晶型TiO2。制備時(shí)鈦金屬即參加反應(yīng)又做基體，具有雙重作用?；瘜W(xué)氧化法優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和以及設(shè)備簡單，同時(shí)所制得產(chǎn)物具有很好的生物活性和較大的比表面積。缺點(diǎn)是在薄膜容易結(jié)構(gòu)不均勻，附著不牢固。

2.3水解-沉淀法

水解-沉淀法原料一般為TiCl4、TiOSO4等無機(jī)鈦鹽，反應(yīng)過程中將HCl或者NH3OH等酸堿性溶液加入原料中來使鈦鹽水解，然后使其沉積、凝聚在基體表面，經(jīng)干燥和煅燒之后制得TiQ2薄膜。TiQ2薄膜反應(yīng)所需原料成本較低且容易獲取，所得膜層結(jié)構(gòu)較均勻細(xì)膩、牢固。水解-沉淀法的不足之處是在清洗過濾以及烘干過程中，在反應(yīng)條件控制不好的情況下容易發(fā)生團(tuán)聚、流失。

3　結(jié)語

TiO2是一種半導(dǎo)體材料，具有良好的光催化性能。近年來，國內(nèi)學(xué)者科研工作者對(duì)TiO2光催化性能的探索越來越深入，TiO2薄膜的制備方法也越來多樣化，其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用前景也將越來越好。

［1］Fujishima A，Honda K.Electrochemical photocatalysis of water at a semiconductor electrode［J］.Nature，1972，23（8）：37-381.

［2］段明峰，梅平.半導(dǎo)體光催化氧化在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用與研究進(jìn)展［J］.化學(xué)與生物工程，2003，20（6）：13-15.

［3］Linsebigler A，Lu G，Yates J T J.Photocatalysis on TiO2surface：priciples，mechanisms and selected results［J］.Heterogeneous Chemical Reviews，1995，95（3）：735-758.

［4］張彭義，余剛，蔣展鵬.半導(dǎo)體光催化劑及其改性技術(shù)進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1997，5（3）：1-10.

［5］汪玲，王莉紅.納米TiO2的光催化機(jī)理及其應(yīng)用［J］.濕法冶金，2004，23（2）：57-60.

郭偉楠（1984—），女，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，中級(jí)，主要從事環(huán)境保護(hù)研究。