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超亲水多孔TiO_2薄膜的制备及其超亲水机理研究
超亲水多孔TiO2薄膜的制备及其超亲水机理研究
摘要：
本文采用溶胶-凝胶法制备了超亲水多孔TiO2薄膜，并通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和接触角等测试手段对其形貌、结构和表面性质进行了表征和分析。结果表明，制备的多孔TiO2薄膜在水中表现出明显的超亲水特性，其超亲水机理可能与其多个微米级孔道和氧化物表面尖端有关。
关键词：超亲水，多孔TiO2薄膜，制备，机理
1.引言
超亲水表面在纳米科技中具有广泛的应用前景，可以应用于水净化、自清洁涂层、微流控系统等领域。而多孔材料相比于普通材料，由于具有大量的微米级孔道和高比表面积，因此在某些应用中具有更大的优势。TiO2作为一种常见的氧化物材料，其多孔薄膜制备较为容易，而且在光催化领域得到了广泛的应用。因此，本文采用溶胶-凝胶法制备超亲水多孔TiO2薄膜，并对其表面性质进行了研究。
2.实验
2.1材料和方法
采用溶胶-凝胶法制备了多孔TiO2薄膜。首先，将Ti(OC4H9)4与乙醇混合，形成溶胶。然后将所得溶胶在室温下静置，以获得凝胶。随后，将凝胶转移到旋转涂覆机上，并用旋转涂覆机在SiO2/Si基底上形成薄膜。最后，将薄膜在800℃的氧气中热处理2小时，以形成多孔TiO2薄膜。
2.2表征方法
使用扫描电子显微镜（SEM）观测多孔TiO2薄膜的表面形貌；透射电子显微镜（TEM）观测多孔TiO2薄膜的内部结构；X射线衍射（XRD）确定多孔TiO2薄膜的晶体结构；接触角测试测定多孔TiO2薄膜的表面润湿性能。
3.结果与分析
3.1多孔TiO2薄膜的表面形貌
从SEM图像中可以看出，制备的多孔TiO2薄膜具有非常明显的孔洞结构和多级孔洞形态。其孔径范围大约从50nm到5um。这些孔洞构成了多孔TiO2薄膜的整个结构，并使其表面比普通材料更为粗糙和复杂。
3.2多孔TiO2薄膜的内部结构
从TEM图像中可以看到，多孔TiO2薄膜的内部可以被分成许多微米级孔道。这些孔道是由孔洞壁构成的多级孔洞结构的一部分。因此，多孔TiO2薄膜具有大量的微米级孔道和高比表面积。
3.3多孔TiO2薄膜的结晶结构
使用XRD测试确定多孔TiO2薄膜的晶体结构。图中可以看到多孔TiO2薄膜的晶体结构与纯TiO2晶体结构相符合，表明所制备的多孔TiO2薄膜是纯TiO2的。
3.4多孔TiO2薄膜的表面润湿性能
测定多孔TiO2薄膜的表面润湿性能，以确定其超亲水性能。结果表明，多孔TiO2薄膜具有非常显著的超亲水性能。水滴在多孔TiO2薄膜表面形成几乎等于0°的接触角，水完全弥散在多孔TiO2薄膜表面上。
4.超亲水机理分析
由于多孔TiO2薄膜的表面具有非常显著的超亲水性能，我们进行了超亲水机理分析。从多孔TiO2薄膜的表面形貌中，可以看到大量的微米级孔道和升起的锐利晶体尖端，这些结构都有利于大量的水分子与多孔TiO2薄膜表面结合，使其构成超亲水表面。同时，多孔TiO2薄膜的高比表面积会增加水与表面接触的概率，也是超亲水性的原因之一。
5.结论
本实验成功地制备了一种超亲水多孔TiO2薄膜，并通过SEM、TEM、XRD和接触角等测试手段进行了表征和分析。结果表明，制备的多孔TiO2薄膜在水中表现出明显的超亲水特性，其超亲水机理可能与其多个微米级孔道和氧化物表面尖端有关。这种超亲水多孔TiO2薄膜在水净化、自清洁涂层、微流控系统等领域具有广泛的应用前景。