汪 洋 劉嘉怡 林哲璇 楊志瀚

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院 廣東 廣州 511000

二氧化鈦,白色粉末,四方晶體。20世紀(jì)科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)二氧化鈦的光催化特性,并對(duì)二氧化鈦特性進(jìn)行深入研究,發(fā)現(xiàn)二氧化鈦薄膜具備多種優(yōu)良特性。

1 二氧化鈦物質(zhì)特性

二氧化鈦是一種寬禁帶半導(dǎo)體,具備良好的光催化特性,通過氧化還原反應(yīng)降解大部分有機(jī)物[1],因此可以用于危險(xiǎn)廢物的氧化分解和控制有毒物。將二氧化鈦加入陶瓷中,煅燒后的陶瓷抗菌,不易脫落、且具有自清潔能力[2]。并且二氧化鈦納米材料具有較大的比表面積,在參與化學(xué)反應(yīng)時(shí),反應(yīng)效率高于其他材料[3]。二氧化鈦是一種無(wú)毒、環(huán)保、耐腐蝕的材料,是常用的抗菌劑,被廣泛應(yīng)用與醫(yī)療衛(wèi)生中。李達(dá)等通過超聲噴霧熱解法制備薄膜,實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)在一定溫度下二氧化鈦對(duì)大腸桿菌有抑菌性[4]。此外二氧化鈦具有較好的親水性。二氧化鈦在光照條件下產(chǎn)生電子和空穴,具備光電特性,可用于制作太陽(yáng)能電池。

2 二氧化鈦的制備方法

2.1 氣相法 化學(xué)氣相沉積法,它是一種制備薄膜的傳統(tǒng)技術(shù),是指將攜帶所需原子的兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi),他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在襯底上沉積,形成含有雜質(zhì)的化合物薄膜。但在反應(yīng)室中發(fā)生的反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜,只有發(fā)生在氣相和固相相交的界面處才可以在襯底上形成薄膜[5]。相對(duì)而言,此方法操作時(shí)需要考慮的因素過多,如兩種氣相化合物的比率,沉積速率,襯底的溫度,反應(yīng)室的壓力等。

金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法,是一種新的制膜技術(shù),可以通過控制液體的金屬有機(jī)分子,精確控制氣體的流量達(dá)到控制薄膜組分的目的[6]。但是使用這種方法對(duì)原材料的精度要求高,高純度的金屬化合物難以獲得,且易燃易爆,毒性也大,對(duì)其反應(yīng)后的尾氣需要進(jìn)行嚴(yán)格的處理。并且所需的儀器設(shè)備較為昂貴,使得薄膜無(wú)法進(jìn)行大批生產(chǎn)。

常壓化學(xué)氣相沉積法,是常用的一種制膜技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)大面積并且連續(xù)制膜,可有效降低制造成本。使用此方法時(shí),氣相內(nèi)以及氣相和固相之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)由氣體的輸送過程控制,該過程對(duì)化學(xué)氣相沉積的結(jié)果有著至關(guān)重要的作用[7]。

2.2 液相法 溶膠凝膠法,是20世紀(jì)80 年代以來逐步發(fā)展的一種制備薄膜的方法。這種方法是用20ml的乙二醇甲醚和10ml冰醋酸作為共溶劑,再和不同濃度的Ag NO3溶液制成混合溶液1,再利用鈦酸四丁酯和乙酰丙酮制成混合溶液2,將混合溶液2逐滴加入混合溶液1,在室溫下避光攪拌2小時(shí),過濾后靜置24小時(shí)得到二氧化鈦凝膠。之后將二氧化鈦溶膠溶液滴于經(jīng)過高溫處理的ITO 玻璃基板上進(jìn)行甩膜,每次甩完膜后在烘烤機(jī)上以200°C烤30min,靜置2min,以這樣的步驟在ITO 玻璃基板上鍍5層TiO2薄膜。這種二氧化鈦制備方法的優(yōu)點(diǎn)是成膜較容易且成膜所需溫度比較低[8]。

水熱法,是一種將反應(yīng)物放入密閉反應(yīng)釜中,通過控制溶液壓力和溫度的制備方法。此方法是以TiCl4為原料制成前驅(qū)體,將前軀體倒于有聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應(yīng)釜內(nèi),在一定的溫度進(jìn)行水熱反應(yīng),得到二氧化鈦薄膜[9]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要煅燒,制得的晶粒粒徑小,缺點(diǎn)是對(duì)反應(yīng)釜的要求比較高,操作過程比較復(fù)雜。

2.3 固相法 固相反應(yīng),是有固體物質(zhì)參與進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)過程,它是固相法制備二氧化鈦的基礎(chǔ)[10]。

固體混合法,是一種具有廣闊應(yīng)用空間的方法。將二氧化鈦和分子篩置于研缽中,加入無(wú)水乙醇后,經(jīng)過一起研磨、干燥、煅燒等步驟,得到TiO2粉末。最后利用高能球磨方法,以FeTiO3作為原料,制得純度高的金紅石型二氧化鈦[11]。該方法制備的TiO2純度高,顆粒均勻,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,工藝簡(jiǎn)單,環(huán)境污染小,易于工業(yè)化。

直接焙燒法,是把白炭黑和Ti(SO4)2作為原料,在加熱條件下加上合適的水和聚乙烯醇,再經(jīng)過冷卻攪拌成糊狀,然后干燥、研磨,最后可獲得二氧化鈦粉體狀態(tài)；然后Ti(OH)4被碳酸鋅包裹,經(jīng)過沉淀、過濾、洗滌、預(yù)焙燒[12],可以得到ZnO/H2TiO3 復(fù)合體,通過煅燒形成的Zn TiO3再次促進(jìn)了 二氧化鈦晶體向金紅石的形態(tài)轉(zhuǎn)變。這種制備有利于低溫反應(yīng),粒子的生長(zhǎng)受到抑制,因此不會(huì)發(fā)生團(tuán)聚[13]。

3 結(jié)語(yǔ)

二氧化鈦具有較多優(yōu)良特性,具有廣泛的應(yīng)用前景,但由于制備因素的制約,工業(yè)化大批量生產(chǎn)依然是一個(gè)待解決問題。