衬底对二氧化钛薄膜性能的影响及二氧化钛薄膜表面结构与其性能之间的关系

半导体TiO2作为一种性能优异的光催化材料，可将许多化学法、生物法无法降解的有机物完全降解为CO2、H2O及相应无机酸，且成本低廉，不造成二次污染，因此在废水处理、空气净化、杀菌以及自清洁和太阳能转化等方面有着十分广阔的前景。应用TiO2进行光催化环境治理，在废水、废气的净化方面属于异相光催化。反应能发生在界面区，或者说在催化剂表面。因此，TiO2表面的性质和结构对光催化反应有重要影响。本文研究了不同衬底上的TiO2薄膜性能以及TiO2表面性质对薄膜光催化和亲水性能的影响，并且初步探讨了TiO2纳米棒的形成机理。结果表明衬底对TiO2薄膜中的晶粒取向没有影响，却对其表面形貌及性能的影响很大。以玻璃为衬底所制备的TiO2薄膜的晶粒小于以不锈钢为衬底所制备的TiO2薄膜。前者的光催化效率是后者的2倍，在亲水性方面前者也远好于后者。当热处理温度分别是400℃、450℃、500℃、550℃时，以不锈钢为衬底的TiO2薄膜的亲水性能随着热处理温度的上升而线性增强。亲油性能基本不随热处理温度的变化而变化。当热处理温度为400℃时，TiO2薄膜的光催化性能最好，500℃时最差，前者是后者的1.85倍。应用常压水热法对TiO2预制膜进行处理，发现当预制膜在TiO2悬浮液中90℃下反应0.5h时，预制膜表面生成了棒状的晶粒，此时样品的光催化性能最好。在室内日光灯下，样品的水接触角为2.38°。但是当浸泡时间延长到1h时，棒状晶粒消失。在紫外光照射下，在悬浮液中反应2h所制备的样品其亲水性能最好，其接触角为1.00°。最后对TiO2纳米棒的形成机理作了初步的探讨，通过以Ti金属为Ti源，于双氧水溶液中在TiO2预制膜上沉积一层新的锐钛矿相TiO2薄膜。发现溶解沉淀机制在TiO2纳米棒的形成过程中起了重要作用。