實驗11　溶膠-凝膠法制備納米二氧化鈦薄膜

一、實驗目的

（1）了解溶膠-凝膠法制備納米二氧化鈦薄膜的實驗原理。

（2）掌握溶膠-凝膠法制備納米二氧化鈦薄膜的實驗步驟。

（3）了解實驗中對實驗結果影響的各因素，并對實驗結果進行分析。

二、實驗原理

二氧化鈦（TiO₂）是日常生活中的常見材料，是一種性能優異、用于凈化環境的光催化材料。作為一種重要的半導體材料，其成本低廉、無公害且極其穩定。其禁帶寬度為3.2eV，可吸收波長小于387.5nm的紫外光；而受到激發時，產生自由電子和空穴，可用來光催化降解許多有害的有機污染物。在實際生活和工作空間場合，通過在居室、辦公室等場合以及在窗戶玻璃、陶瓷等建材表面涂覆TiO₂光催化薄膜，或在空間內安放TiO₂光催化設備均可有效降解甲醛、甲苯等有機物，凈化室內空氣。TiO₂光催化劑還可用于石油和化工等產業的工業廢氣處理，改善廠區周圍空氣質量。

溶膠-凝膠法制備納米TiO₂是利用易水解的金屬醇鹽或無機鹽，在乙醇溶劑中與水發生反應，通過水解縮聚形成溶膠，將溶膠用浸漬或者旋轉涂膜法在基底上制備一層TiO₂膜。該方法制備TiO₂膜有三個關鍵環節：溶膠制備；凝膠形成；凝膠層向TiO₂薄膜的轉化。該方法具有合成溫度低、純度高、均勻性好、化學成分穩定、易于摻雜、可大面積制膜、工藝簡單等優點，特別是通過液相化學途徑，在制備材料初期，便于精確控制材料組分達到設計的化學配比，實現材料組分的均勻性達到納米級，甚至分子級水平。通過液相過程，還可實現其他工藝無法達到的多組分材料，如復合材料等。

本實驗以Ti（OC₄H₉）₄（鈦酸四丁酯，TBOT）、H₂O、二乙醇胺等為原料，采用溶膠-凝膠法和浸漬提拉法制備納米TiO₂薄膜，反應裝置及提拉成膜裝置如圖1-4所示。

鈦酸四丁酯的水解和縮聚反應如下：

水解：

Ti（OC₄H₉）₄+nH₂O Ti（OC₄H₉）_4-n（OH）_n+nHOC₄H₉

縮聚：2Ti（OC₄H₉）_4-n（OH）_n ［Ti（OC₄H₉）_4-n（OH）_n-1］₂O+H₂O

用TBOT制取納米TiO₂時，由于其黏度較大，水解速率極快，故加入一定比例的乙醇水溶液起分散作用，并加入一定量的DMF（二甲基甲酰胺）作為抑制劑延緩其水解速率，防止局部沉淀而形成團聚體。

三、實驗用品

（1）實驗儀器：拉膜機、恒溫玻璃水浴、磁力攪拌器、干燥箱、馬弗爐、電子天平、燒杯、量筒、移液管、超聲波清洗器。

（2）實驗用品（試劑）：鈦酸四丁酯（TBOT）、無水乙醇、二乙醇胺（DEA）、N，N'-二甲基甲酰胺（DMF）、去離子水。

四、實驗步驟

（1）將鈦酸四丁酯（3.4g）溶于乙醇溶劑（23mL）（二者的摩爾比為1∶40），再加入1mL二乙醇胺（與鈦酸四丁酯相同摩爾配比），室溫下用磁力攪拌器攪拌0.5h。

（2）混合均勻后，再加入水和無水乙醇體積比為1∶9乙醇水溶液（0.1mL水，0.9mL乙醇）（其中鈦酸丁酯與水的摩爾比為1∶0.5），反應1.5h。

（3）最后加入抑制劑0.25mL DMF（用量為鈦酸丁酯物質的量的30%），得到穩定、均勻、透明的淺黃色溶膠，陳化24h，即可用于鍍膜。

（4）把經過潔凈處理的載玻片緩慢勻速地浸入上述配好的溶膠中，靜止2min后，以一定速度緩慢向上提拉載玻片，然后在空氣中晾置5min。

（5）將提拉好的載玻片放入烘箱中，溫度設置為100℃，干燥5min，在無塵空氣中冷卻5min，重復上述操作可制備多層薄膜。

（6）放入馬弗爐中，設置溫度為100℃，保溫30min，然后以3℃/min的速度緩慢升溫至500℃。保溫1h，在爐內自然冷卻至室溫即可得到銳鈦礦相納米TiO₂薄膜。

（7）將所制備的薄膜進行紫外-可見光譜的分析表征。

五、思考題

（1）不同乙醇用量對膠體有何影響？

（2）不同加水方式和用量對產物有何影響？ 

（3）反應溫度和煅燒溫度對產物有何影響？

參　考　文　獻

［1］　陳南春，韋翠美. 溶膠-凝膠法制備納米TiO₂薄膜. 稀有金屬材料與工程，2007，36（s1）：973-976.

［2］　萬曄，楊龍剛，于歡. 溶膠凝膠法制備納米TiO₂薄膜及其性能的研究. 沈陽建筑大學學報（自然科學版），2009，25（1）：139-142.

（李斌）