胶溶法制备TiO_2纳米晶溶胶及其应用研究

【摘要】： TiO_2作为一种半导体光催化材料,具有效率高、能耗低、无毒、稳定性好等优点,在环境污染治理方面应用前景广阔。其中,TiO_2薄膜由于能通过在多种基材上的负载应用,克服粉体型TiO_2易聚集、难回收等问题,受到了广泛关注。近年来,随着TiO_2薄膜在工程塑料,有机涂层等不耐热或大面积难以加热材料表面应用需求的增加,其低温制备成为该领域研究的热点。 本文对TiO_2薄膜的低温制备及应用进行了研究,提出利用以TiO_2纳米晶溶胶为主要成分的有机/无机复合涂膜液,低温负载制备TiO_2薄膜的研究课题。论文以价格低廉的TiOSO_4无机盐为前驱体,采用胶溶法制备TiO_2纳米晶溶胶,并设计TiO_2纳米晶溶胶/醋丙乳液、TiO_2纳米晶溶胶/有机硅溶胶复合体系,解决单一TiO_2纳米晶溶胶涂膜不均匀、薄膜附着力欠佳等应用问题。主要研究工作包括以下几个方面: (1)TiO_2纳米晶溶胶的制备及优化研究 以价格低廉的TiOSO_4为原料,采用沉淀-胶溶工艺,研究了酸性和中性两类TiO_2纳米晶溶胶的制备方法,重点考察了溶胶制备条件对TiO_2结晶度、粒径大小以及溶胶光催化活性的影响。优化的酸性TiO_2溶胶制备条件为:水浴胶溶温度60℃,水浴胶溶时间6h,HNO_3的添加量H~+:Ti~(4+)=4。优化的中性TiO_2溶胶制备条件为:pH=7～8,水浴温度65℃,水浴时间4h,H_2O_2的添加量为H_2O_2:Ti~(4+)=16。酸性和中性两类TiO_2纳米晶溶胶的对比研究表明,酸性TiO_2溶胶在溶胶稳定性及光催化活性方面均优于中性TiO_2溶胶。 (2)TiO_2/醋丙复合薄膜制备及性能研究 选择醋丙乳液与TiO_2纳米晶溶胶复合,着重考察了复合体系中TiO_2用量对薄膜结构与性能的影响。结果表明:TiO_2纳米晶溶胶/醋丙乳液复合体系具有较高的稳定性和良好的成膜特性;涂膜后,随TiO_2含量的增大,薄膜表面的TiO_2粒子增多,薄膜粗糙度增大;当复合薄膜中添加的TiO_2溶胶浓度由0.1 mol/L提高到0.3mol/L时,紫外光激发下复合薄膜对罗丹明B的分解率由53.8%提高到了78.8%,对水的接触角由66°降低到50°。 (3)TiO_2/有机硅复合薄膜制备及性能研究 采用胶溶法制备以醇为主要溶剂的TiO_2纳米晶溶胶,并与有机硅溶胶进行复合。在此基础上,开展复合溶胶在聚碳酸酯板(PC板)表面的涂膜研究,主要考察了TiO_2溶胶添加量、TiO_2溶胶浓度以及涂膜层数对复合薄膜结构与性能的影响。结果表明:TiO_2溶胶添加量为40wt%时,复合溶胶的成膜性较好;添加的TiO_2溶胶浓度为0.3mol/L时,获得的复合薄膜具有良好的光催化性能,对罗丹明B的降解率达到74.4%;当涂膜层数为2层时,在保证复合薄膜中TiO_2负载量的同时,薄膜均匀、无开裂现象,并且具有较好的光透过率。