实验11　溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛薄膜

一、实验目的

（1）了解溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛薄膜的实验原理。

（2）掌握溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛薄膜的实验步骤。

（3）了解实验中对实验结果影响的各因素，并对实验结果进行分析。

二、实验原理

二氧化钛（TiO₂）是日常生活中的常见材料，是一种性能优异、用于净化环境的光催化材料。作为一种重要的半导体材料，其成本低廉、无公害且极其稳定。其禁带宽度为3.2eV，可吸收波长小于387.5nm的紫外光；而受到激发时，产生自由电子和空穴，可用来光催化降解许多有害的有机污染物。在实际生活和工作空间场合，通过在居室、办公室等场合以及在窗户玻璃、陶瓷等建材表面涂覆TiO₂光催化薄膜，或在空间内安放TiO₂光催化设备均可有效降解甲醛、甲苯等有机物，净化室内空气。TiO₂光催化剂还可用于石油和化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。

溶胶-凝胶法制备纳米TiO₂是利用易水解的金属醇盐或无机盐，在乙醇溶剂中与水发生反应，通过水解缩聚形成溶胶，将溶胶用浸渍或者旋转涂膜法在基底上制备一层TiO₂膜。该方法制备TiO₂膜有三个关键环节：溶胶制备；凝胶形成；凝胶层向TiO₂薄膜的转化。该方法具有合成温度低、纯度高、均匀性好、化学成分稳定、易于掺杂、可大面积制膜、工艺简单等优点，特别是通过液相化学途径，在制备材料初期，便于精确控制材料组分达到设计的化学配比，实现材料组分的均匀性达到纳米级，甚至分子级水平。通过液相过程，还可实现其他工艺无法达到的多组分材料，如复合材料等。

本实验以Ti（OC₄H₉）₄（钛酸四丁酯，TBOT）、H₂O、二乙醇胺等为原料，采用溶胶-凝胶法和浸渍提拉法制备纳米TiO₂薄膜，反应装置及提拉成膜装置如图1-4所示。

钛酸四丁酯的水解和缩聚反应如下：

水解：

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

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

用TBOT制取纳米TiO₂时，由于其黏度较大，水解速率极快，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）作为抑制剂延缓其水解速率，防止局部沉淀而形成团聚体。

三、实验用品

（1）实验仪器：拉膜机、恒温玻璃水浴、磁力搅拌器、干燥箱、马弗炉、电子天平、烧杯、量筒、移液管、超声波清洗器。

（2）实验用品（试剂）：钛酸四丁酯（TBOT）、无水乙醇、二乙醇胺（DEA）、N，N'-二甲基甲酰胺（DMF）、去离子水。

四、实验步骤

（1）将钛酸四丁酯（3.4g）溶于乙醇溶剂（23mL）（二者的摩尔比为1∶40），再加入1mL二乙醇胺（与钛酸四丁酯相同摩尔配比），室温下用磁力搅拌器搅拌0.5h。

（2）混合均匀后，再加入水和无水乙醇体积比为1∶9乙醇水溶液（0.1mL水，0.9mL乙醇）（其中钛酸丁酯与水的摩尔比为1∶0.5），反应1.5h。

（3）最后加入抑制剂0.25mL DMF（用量为钛酸丁酯物质的量的30%），得到稳定、均匀、透明的浅黄色溶胶，陈化24h，即可用于镀膜。

（4）把经过洁净处理的载玻片缓慢匀速地浸入上述配好的溶胶中，静止2min后，以一定速度缓慢向上提拉载玻片，然后在空气中晾置5min。

（5）将提拉好的载玻片放入烘箱中，温度设置为100℃，干燥5min，在无尘空气中冷却5min，重复上述操作可制备多层薄膜。

（6）放入马弗炉中，设置温度为100℃，保温30min，然后以3℃/min的速度缓慢升温至500℃。保温1h，在炉内自然冷却至室温即可得到锐钛矿相纳米TiO₂薄膜。

（7）将所制备的薄膜进行紫外-可见光谱的分析表征。

五、思考题

（1）不同乙醇用量对胶体有何影响？

（2）不同加水方式和用量对产物有何影响？ 

（3）反应温度和煅烧温度对产物有何影响？

参　考　文　献

［1］　陈南春，韦翠美. 溶胶-凝胶法制备纳米TiO₂薄膜. 稀有金属材料与工程，2007，36（s1）：973-976.

［2］　万晔，杨龙刚，于欢. 溶胶凝胶法制备纳米TiO₂薄膜及其性能的研究. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2009，25（1）：139-142.

（李斌）