摘" " " 要： 二氧化鈦薄膜因具有性能穩(wěn)定、制造成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于建筑、交通、新能源等行業(yè)。從二氧化鈦薄膜的制備、表征以及實(shí)際應(yīng)用等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，重點(diǎn)討論了影響二氧化鈦薄膜性能的因素，分析了存在的問(wèn)題，并對(duì)二氧化鈦薄膜未來(lái)應(yīng)用做出了展望。

關(guān)" 鍵" 詞：二氧化鈦；結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；材料制備；薄膜表征

中圖分類號(hào)：TQ134.11" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）04-0629-03

二氧化鈦（TiO2）俗稱鈦白粉，因其化學(xué)性能穩(wěn)定，多應(yīng)用于催化降解污染物、自清潔、建筑涂料等領(lǐng)域[1-3]。本文主要闡述了TiO2薄膜的制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域，重點(diǎn)討論了影響TiO2薄膜性能的因素，并對(duì)TiO2薄膜的未來(lái)做出展望。

1" 二氧化鈦薄膜的制備方法

制備TiO2薄膜的方法分為化學(xué)法和物理法兩大類，如脈沖激光法、真空蒸發(fā)法、磁控濺射法等物理方法以及凝膠法、化學(xué)氣相沉淀法、噴霧熱解法等化學(xué)方法，制備工藝和方法不同，薄膜的生產(chǎn)效率和成膜質(zhì)量也不同[4-6]。

鄧泉榮[7]采用脈沖激光沉淀法制備出Ga摻雜的TiO2薄膜，有效拓展了TiO2材料對(duì)可見光的利用率。脈沖激光沉積法制備TiO2薄膜有對(duì)靶材限制低、制備的薄膜純度高、均勻平整和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，適合制備高熔點(diǎn)和組分復(fù)雜的薄膜材料，廣泛應(yīng)用于信息儲(chǔ)存方面。周小玉[8]采用脈沖激光沉淀法制備了TiOx薄膜材料，探究TiOx膜層的生長(zhǎng)溫度和氧分壓對(duì)器件阻變性能的影響，但是脈沖激光沉積法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備要求高，不能大面積進(jìn)行薄膜的制備，所以接下來(lái)研究方向是如何用于商業(yè)化的大規(guī)模制備。

真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：真空儀器精簡(jiǎn)、可操作性強(qiáng)、制備的薄膜雜質(zhì)少、薄膜晶體性能良好等。鐘建丹[9]采用真空蒸發(fā)法制備Pt/石墨 烯/TiO2薄膜電極，通過(guò)單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其最佳制備條件。真空蒸發(fā)鍍膜法的不足是成膜的結(jié)晶性能差、膜層的附著力較差。

磁控濺射是薄膜沉積技術(shù)使用較早的，也是目前應(yīng)用研究最多和最成熟的產(chǎn)業(yè)化薄膜沉積技術(shù)。王朝勇[10]等采用直流磁控濺射的方法，制備了銳鈦礦型TiO2薄膜，用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、X射線衍射儀分別測(cè)試了TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌，研究了沉淀溫度、壓強(qiáng)和濺射功率對(duì)制備沉淀速率的影響，得到的實(shí)驗(yàn)值與理論設(shè)計(jì)結(jié)果非常吻合，對(duì)制備TiO2薄膜的工藝過(guò)程有一定的指導(dǎo)意義。

溶膠-凝膠法可以有效控制薄膜的化學(xué)組分，不需要真空環(huán)境，制備原理和流程簡(jiǎn)單，可以大范圍地制備薄膜，易于商業(yè)化成膜且效率高。王玉萍[11]等采用溶膠-凝膠法制備了TiO2光催化劑，研究發(fā)現(xiàn)加入一定量的聚乙二醇可提高TiO2/C光催化劑的催化活性和吸附性。通過(guò)在含有水和乙醇的高壓釜中進(jìn)行熱處理，得到的TiO2薄膜具有光催化活性。

申國(guó)棟[12]等采用溶膠-凝膠法制備氮摻雜納米TiO2負(fù)載活性炭纖維光催化劑復(fù)合材料，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用真絲綢染色廢水降解效果評(píng)價(jià)其光催化" "活性。

唐海軍[13]等運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法研究了化學(xué)氣相沉淀法實(shí)驗(yàn)中距離和功率對(duì)TiO2納米顆粒形貌結(jié)構(gòu)的影響，使用掃描電鏡和透射電鏡發(fā)現(xiàn)沉淀上的TiO2納米顆粒為非晶體結(jié)構(gòu)。化學(xué)氣相沉積法的不足之處是薄膜的沉積速率低，制備薄膜的原材料有毒且化學(xué)穩(wěn)定性差。

LEE[14]采用噴霧熱解法制備透明的TiO2薄膜，通過(guò)儀器檢測(cè)發(fā)現(xiàn)制備的薄膜更薄，TiO2顆粒更均勻，具有高催化活性。

制備TiO2薄膜的方法多種多樣，如何能夠高效快速制備，使之可以大規(guī)模地應(yīng)用于商業(yè)是目前研究的熱點(diǎn)方向。

2" 影響TiO2薄膜性能的因素

影響TiO2薄膜光催化活性因素微觀上主要有TiO2薄膜的晶體類型、晶粒大小和晶體缺陷等，以及宏觀上TiO2薄膜的厚度、表面結(jié)構(gòu)等。TENNAKONE[15]等認(rèn)為TiO2的晶型對(duì)光催化活性具有重要影響，單一晶型的TiO2光催化活性不如銳鈦礦型和金紅石型晶型的混合物，結(jié)果表明，銳鈦礦型和金紅石型的比值為9∶1時(shí)TiO2晶體的催化效果最佳。周廣瑞[16]等分析在可見光催化下TiO2的不同晶型對(duì)污染物質(zhì)亞甲基藍(lán)的降解性能，發(fā)現(xiàn)TiO2復(fù)合晶型經(jīng)50 min光照后降解亞甲基藍(lán)的效果最好。同幟[17]等認(rèn)為TiO2的晶型對(duì)光催化活性具有重要作用，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熱處理的溫度決定了TiO2的晶型轉(zhuǎn)變，隨著金紅石型比例增大，使得光生電子與空穴在薄膜表面的遷移距離增大，光催化性能也隨之降低。

張永彬[18]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，TiO2薄膜的光催化活性受薄膜厚度影響，在一定范圍內(nèi)隨著TiO2薄膜厚度增加，光催化活性也隨之增加。當(dāng)載流子的平均擴(kuò)散長(zhǎng)度大于TiO2薄膜厚度時(shí)，TiO2薄膜的催化效率較高；當(dāng)載流子的平均擴(kuò)散長(zhǎng)度小于TiO2薄膜厚度時(shí)，晶體的完整性受損，TiO2薄膜的光催化活性降低。

影響TiO2薄膜的親水性因素主要有TiO2的晶體類型、薄膜厚度、薄膜的熱處理時(shí)間、薄膜本身粗糙程度、薄膜表面羥基含量以及薄膜在光照下的時(shí)間和強(qiáng)度等因素。沈杰[19]等采用溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜，在經(jīng)過(guò)退火處理后，TiO2晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為銳鈦礦型，表現(xiàn)出良好的親水性。劉平[20]等用溶膠凝膠法制備了TiO2薄膜，發(fā)現(xiàn)薄膜在3層以內(nèi)時(shí)，薄膜的親水性隨層數(shù)的增加而增加?？导t軍[21]等在制備過(guò)程中對(duì)TiO2納米薄膜進(jìn)行紫外光照射和熱處理，發(fā)現(xiàn)其油下超疏水性和油下超親水性出現(xiàn)可逆調(diào)節(jié)，通過(guò)研究認(rèn)為，TiO2納米薄膜的微納米結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成變化進(jìn)行協(xié)同作用。

通過(guò)改變TiO2薄膜的晶體類型、尺寸以及薄膜厚度可以改變其光催化活性和親水性，進(jìn)而適用于不同的工作情況，極大地拓展了TiO2薄膜的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。

3" 二氧化鈦薄膜的表征

AFM清楚地表征了TiO2薄膜逐漸變成一層均勻的薄膜形成過(guò)程。萬(wàn)濤[22]使用AFM表征了" "TiO2/聚丙烯酸酯納米復(fù)合薄膜的表面形態(tài)，得出熱處理對(duì)TiO2粒子和薄膜生成有益，對(duì)TiO2薄膜粗糙度影響不大，延長(zhǎng)紫外線光照時(shí)間，有助于TiO2粒子生成，降低TiO2薄膜表面粗糙度。

通過(guò)X射線的衍射結(jié)果可探知制備TiO2薄膜的組成相、晶體點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣常數(shù)。張?zhí)m[23]等利用X射線衍射儀進(jìn)行表征鎳、碳共摻雜的納米TiO2薄膜，發(fā)現(xiàn)其薄膜晶粒細(xì)化，比表面積增大，有利于增加與污染物的接觸面積。

通過(guò)不同的方式研究二氧化鈦薄膜的表征，可以更加清晰地探究二氧化鈦薄膜的結(jié)構(gòu)、厚度、表面粗糙度對(duì)其性能的影響，對(duì)提高二氧化鈦薄膜的經(jīng)濟(jì)性具有積極作用。

4" 二氧化鈦薄膜的應(yīng)用

TiO2薄膜是一種重要的功能薄膜材料，因其具有較好的光催化性和親水性以及紫外屏蔽功能，所以在生產(chǎn)生活中有較好的應(yīng)用前景[24-26]。

常見的太陽(yáng)能電池材料主要是晶體硅和非晶體硅，但目前這兩種材料制造成本高、光利用效率低，新興的TiO2光敏染料太陽(yáng)能電池利用自然界的光合作用可以直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而大大提高了光能的利用率。李金韓[27]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)TiO2薄膜材料比面積大，活性點(diǎn)位多，容易與其他單質(zhì)和化合物復(fù)合，在光催化燃料電池中有廣闊的應(yīng)用前景。

利用TiO2薄膜的光催化活性和親水性，一方面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生活和工業(yè)污水的凈化處理；另一方面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中有害氣體和雜質(zhì)凈化。朱永法[28]制備了孔徑為10 nm、具有銳鈦礦晶相結(jié)構(gòu)及高溫穩(wěn)定性的TiO2薄膜光催化劑，系統(tǒng)研究了氣相有機(jī)污染物和液相有機(jī)污染物在介孔光催化劑上的降解產(chǎn)物和機(jī)理，為環(huán)境污染物的凈化提供了新思路和新方法。

薄膜的光催化作用可用于殺死病毒和細(xì)菌，還可以降解細(xì)菌和病毒中的毒素，避免病菌的二次危害。申思宇[29]制備了TiO2，與In2O3形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙層膜，進(jìn)行滅菌實(shí)驗(yàn)，隨著燒結(jié)溫度的增高滅菌效果也隨之提升，且比TiO2單層膜和TiO2-In2O3復(fù)合膜表現(xiàn)出更好的滅菌效果，速度更快，滅菌更加徹底。

目前我國(guó)十分重視環(huán)境污染問(wèn)題，尤其是空氣污染和水污染[30-34]。TiO2薄膜材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以有效地緩解環(huán)境污染問(wèn)題，只要加強(qiáng)制備和應(yīng)用方面研究，在我國(guó)必然有更大的發(fā)展。

5" 結(jié)束語(yǔ)

TiO2薄膜材料的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多年，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也進(jìn)行了研究，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中仍存在產(chǎn)品成熟度不夠、相關(guān)專利的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性驗(yàn)證度不高等問(wèn)題。關(guān)于TiO2薄膜的晶體類型、晶體尺寸、薄膜厚度、粗糙程度等指標(biāo)之間存在一定的矛盾，在接下的研究中可以進(jìn)一步優(yōu)化。

我國(guó)環(huán)境污染問(wèn)題十分嚴(yán)重，空氣中含有一定含量的油性污染物，TiO2薄膜在光敏染料太陽(yáng)能電池和防污凈化材料的應(yīng)用，可以有效緩解環(huán)境污染問(wèn)題，只要加強(qiáng)制備和應(yīng)用方面研究，TiO2將有著廣闊的應(yīng)用前景，但要真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，仍需要人們不斷努力。

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Research Progress in Application of TiO2 Film Material

SU Fangzheng， KAN Yanyong， XV Xirong， LIU Hongyan， WU Pijie

（Nanjing Baose Co.， Ltd.， Nanjing Jiangsu 211178， China）

Abstract：" TiO2 film is widely used in construction， transportation， new energy and other industries because of its stable performance， low manufacturing cost and green environmental protection. Based on this， the preparation， characterization and practical application of TiO2 film were expounded， the factors affecting the performance of TiO2 film were discussed， the existing problems were analyzed， and the future application of TiO2 film was prospected.

Key words： TiO2; Structure and properties; Material preparation; Thin film characterization