畢業(yè)論文——熱處理對(duì)納米板鈦礦二氧化鈦薄膜的溶膠-凝膠法生產(chǎn)粒度的影響

1、<p>　　熱處理對(duì)納米板鈦礦二氧化鈦薄膜的溶膠-凝膠法生產(chǎn)粒度的影響</p><p>　　摘要：純納米板鈦礦二氧化鈦（TiO2）薄膜沉積在玻璃基板上，以鈦酸丁酯和 乙酸為原料通過(guò)旋涂法對(duì)二氧化鈦薄膜的顆粒尺寸的熱處理溫度進(jìn)行控制。顆粒生長(zhǎng)的活化能被計(jì)算為23.1 kJ / mol的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的純納米板鈦

2、礦TiO2薄膜，通過(guò)X射線(xiàn)衍射（XRD），原子力顯微鏡（AFM），掃描電子顯微鏡（SEM），紫外可見(jiàn)吸收光譜（UV–VIS），傅立葉變換紅外光譜（FTIR）表征。</p><p>　　關(guān)鍵詞：TiO2 粒子納米板鈦礦 溫度 尺寸 溶膠-凝膠</p><p><b>　　簡(jiǎn)介</b></p><p>　　TiO2（二氧化鈦）是一個(gè)非常

3、重要的過(guò)渡金屬氧化物由于其使用在各種應(yīng)用中，包括光電應(yīng)用，光催化活性，太陽(yáng)能電池，電致變色應(yīng)用，氫儲(chǔ)存和氣體傳感器。板鈦礦相，是TiO2的三個(gè)階段，是很難在其純粹的形式產(chǎn)生。</p><p>　　有幾種方法已被用于制備板鈦礦TiO2結(jié)構(gòu)，包括水熱法，溶膠-凝膠沉積，化學(xué)氣相沉積（CVD），和脈沖激光沉積（PLD）。</p><p>　　許多不同的TiO2結(jié)構(gòu)是在板鈦礦相，包括粉末，薄膜，納

4、米棒和納米花。納米TiO2的板鈦礦相由TiCl4水解合成（四氯化鈦），鈦酸丁酯和丁醇在HCl和NaCl溶液。納米二氧化鈦的板鈦礦相通常用于太陽(yáng)能電池和光催化應(yīng)用。粒徑，可與溶膠凝膠涂層的工藝控制–，是納米技術(shù)的一個(gè)非常重要的參數(shù)。采用溶膠-凝膠法在不同制備條件下制備納米二氧化鈦，如熱處理。熱處理對(duì)納米TiO2的粒徑的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究。利用X射線(xiàn)衍射法測(cè)定了溶膠-凝膠沉積過(guò)程中的熱處理溫度，可以控制納米二氧化鈦的粒徑。銳鈦礦相納米Ti

5、O2粒徑粉末與溫度之間的400和800°C已被發(fā)現(xiàn)在6.2至21.1納米的范圍內(nèi)。粒子尺寸納米晶TiO2薄膜產(chǎn)生溫度350至550°C已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)12.4范圍為20.3 nm，和溫度之間的350和500°C產(chǎn)生銳鈦礦相納米TiO2顆粒在7～30 nm范圍內(nèi)。公布的結(jié)果表明，納米TiO2的隨熱處理溫度的增加，因?yàn)樵黾拥慕Y(jié)晶粒度。熱處理可以提高非晶態(tài)化合物的結(jié)晶度。</p><p>　　相

6、的銳鈦礦和板鈦礦，可轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石相他們火熱的時(shí)候，是亞穩(wěn)態(tài)，而金紅石相是穩(wěn)定的。板鈦礦相難以產(chǎn)生純。作為一個(gè)結(jié)果，純板鈦礦相的活化能已被確定是遠(yuǎn)低于的銳鈦礦和金紅石相的活化能。銳鈦礦相TiO2薄膜沉積的活化能計(jì)算約77.9 kJ／mol。</p><p>　　板鈦礦–金紅石過(guò)渡的活化能已被計(jì)算為143.4 kJ / mol Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov（JMAK）模型，為492.1

7、3 kJ / mol的JMAK模型。我們研究的目的是確定活化能的純納米板鈦礦TiO2薄膜顆粒生長(zhǎng)的價(jià)值。我們利用鈦酸丁酯，乙醇和乙酸合成的純板鈦礦相納米TiO2薄膜，利用阿倫尼烏斯方程確定了顆粒生長(zhǎng)在純納米板鈦礦TiO2薄膜的活化能。熱處理溫度對(duì)TiO2薄膜的納米板鈦礦粒度的影響。我們發(fā)現(xiàn)，顆粒的大小可以通過(guò)純納米板鈦礦薄膜熱處理溫度控制。</p><p><b>　　2實(shí)驗(yàn)</b><

8、/p><p>　　2.1。對(duì)納米板鈦礦TiO2薄膜的制備</p><p>　　納米板鈦礦TiO2薄膜是準(zhǔn)備使用溶膠-凝膠方法。溶膠是制備鈦酸丁酯（Ti（OC4H9）4）在乙醇中溶解，加水水解反應(yīng)，隨后通過(guò)滴加乙酸（AcAc）。完整的步驟進(jìn)行連續(xù)的實(shí)驗(yàn)溶液攪拌下。</p><p>　　圖1.對(duì)不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的X射線(xiàn)衍射圖案：400，450，500，5

9、50°C.</p><p>　　溶膠前驅(qū)體溶液，含Ti（OC4H9）4：乙醇：水：采用0.2:2:0.1:0.2體積比丙酮。解決方案是磁力攪拌3 h，在25°C加入乙酸調(diào)節(jié)pH值為4，控制沉淀反應(yīng)。</p><p>　　最后，溶膠沉積的康寧2947玻璃襯底上自旋涂層技術(shù)。自旋涂層在室溫下進(jìn)行。整個(gè)涂裝過(guò)程中，紡絲速度1000轉(zhuǎn)為精確控制。</p><

10、p>　　涂層后，溶膠鍍膜玻璃基板被立即放入預(yù)熱好的烤箱?？鞠涞臏囟缺３衷?00°C在整個(gè)加熱過(guò)程。熱處理一小時(shí)后，玻璃基板從烘箱中取出，并留下來(lái)冷卻室溫。</p><p>　　為了研究熱處理對(duì)TiO2薄膜的顆粒尺寸的影響，實(shí)驗(yàn)是由溫度的升高逐步進(jìn)行。每個(gè)溶膠鍍膜玻璃基板，微晶在400到550°C納米板鈦礦TiO2薄膜厚度范圍內(nèi)處理被測(cè)定為約80 nm。</p><p&

11、gt;<b>　　2.2.樣品表征</b></p><p>　　在玻璃基板上沉積的TiO2薄膜進(jìn)行了X射線(xiàn)衍射儀（GBC-MMA, Cu-Ka，銅卡輻射）。一個(gè)原子力微范圍（島津掃描探針顯微鏡SPM-9500J3）一起用掃描電子顯微鏡（S-3100H，日立公司）使用并排探討TiO2沉積在玻璃基板的表面形貌。</p><p>　　TiO2薄膜的光譜反射率，也使用Perk

12、in–Elmer Lambda-900分光光度計(jì)，具有150毫米Labsphere積分球附件它透射模式收集。TiO2薄膜的紫外可見(jiàn)光譜分析–使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行（安捷倫8453）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）沉積的TiO2薄膜記錄波數(shù)范圍從600 cm-1 到4000 cm-1的使用珀金埃爾默譜儀。所有的二氧化鈦薄膜的紅外光譜收集在傳輸模式。</p><p><b>　　3結(jié)果與討論</b

13、></p><p><b>　　3.1.XRD分析</b></p><p>　　納米板鈦礦TiO2薄膜的X射線(xiàn)衍射圖1所示。該模式揭示了熱處理溫度對(duì)二氧化鈦薄膜相變的影響。X射線(xiàn)衍射結(jié)果表明，TiO2薄膜，在加熱400°C和550°C之間，只有板鈦礦相。</p><p>　　熱處理可以提高TiO2薄膜的結(jié)晶。熱處理引起

14、的相變從非晶態(tài)向板鈦礦（斜方晶系）。當(dāng)溫度增加到400°C，形成板鈦礦相。據(jù)JCPDFcard75號(hào)–1582 。板鈦礦出現(xiàn)峰值。由于該薄膜的結(jié)構(gòu)，薄膜的板鈦礦相（211）表現(xiàn)為單峰。</p><p>　　TiO2薄膜的顆粒大小是使用Scherrer半經(jīng)驗(yàn)公式與XRD的計(jì)算結(jié)果；</p><p>　　d = k.λ = b.cos (θ)

15、 (1)</p><p>　　其中k = 0.89是球形顆粒的形狀因子，λ是波長(zhǎng)的入射光，θ（θ）是衍射角（RAD），B是全寬度半最大值（FWHM）高度相減后的設(shè)備擴(kuò)大。一般來(lái)說(shuō)，在衍射峰的半峰全寬對(duì)應(yīng)材料的粒徑。當(dāng)寬則寬，顆粒具有較小。XRD分析結(jié)果表明，2θ值不隨熱處理溫度的變化。</p><p>　　熱處理溫

16、度對(duì)粒徑的導(dǎo)向納米板鈦礦薄膜的影響。當(dāng)鈦丁醇，乙醇，水和乙酸是固定的，通過(guò)熱處理溫度控制顆粒尺寸大小。</p><p>　　熱處理促進(jìn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的結(jié)晶。結(jié)晶越大，熱處理溫度高。</p><p>　　熱處理溫度力的自由OH基團(tuán)的納米板鈦礦薄膜表面凝結(jié)的增量。在這項(xiàng)研究中，提高結(jié)晶度和板鈦礦相的衍射峰強(qiáng)度。結(jié)果，隨著熱處理溫度的升高，顆粒尺寸增大。</p><p>　　

17、納米板鈦礦TiO2薄膜的顆粒生長(zhǎng)活化能可以用阿倫尼烏斯方程計(jì)算?？梢员硎緸榛罨?lt;/p><p>　　E = -RT ln（d/a) (2)</p><p>　　其中一個(gè)是攔截，R為氣體常數(shù)，T是溫度（開(kāi)爾文），D為平均粒徑。</p><p>

18、　　d = ae-E/RT (3)</p><p>　　lnd = -E/RT + ln a

19、 (4)</p><p>　　圖2顯示了一個(gè)塊的粒度與溫度的對(duì)數(shù)（1000 / T）?；诰€(xiàn)的斜率，粒子生長(zhǎng)的納米板鈦礦TiO2薄膜可以描述為23.1千焦耳/摩爾。計(jì)算活化能純納米板鈦礦電影應(yīng)該比體材料的板鈦礦型TiO2的活化能低的活化能。這是因?yàn)榧{米材料具有較高的比表面積，從而增加總的表面能，當(dāng)其體積比散裝材料的體積比的比較。因此，需要更少的能量來(lái)產(chǎn)生純納米板鈦礦TiO2薄膜顆粒生長(zhǎng)。</p>

20、;<p><b>　　3.2.SEM分析</b></p><p>　　圖2.納米板鈦礦TiO2薄膜的lnd 與1000 / T的關(guān)系</p><p>　　納米板鈦礦TiO2薄膜的SEM照片如圖3所示。它們揭示了不同熱處理溫度對(duì)薄膜的高度多孔的性質(zhì)，這是在均勻的球形顆粒的觀察。我們還觀察到，隨著熱處理溫度的增加，顆粒尺寸的顆粒尺寸的增加而增加。</p

21、><p>　　3.3.原子力顯微鏡（AFM）分析</p><p>　　如圖3所示，SEM圖像納米板鈦礦TiO2薄膜的熱處理溫度不同：（a）450、（b）500、（c）550°C</p><p>　　圖4顯示了純納米板鈦礦TiO2薄膜在不同溫度下加熱的AFM圖像。我們觀察到的顆粒尺寸的增加而增加的熱處理溫度，這是由掃描電子顯微鏡和X射線(xiàn)衍射結(jié)果。我們比較了不同熱

22、處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的粗糙度。</p><p>　　被確定為2.22的納米板鈦礦TiO2薄膜的表面粗糙度均方根；2.65；3.11；5.60為400，450，500，和550°C熱處理溫度值。粗糙度隨熱處理溫度的升高而增大。它被發(fā)現(xiàn)，膜加熱在550°C具有粗糙的表面結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗凶畲罅?，隨膜加熱在400°C具有平滑的表面結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗凶钚〉牧Ｗ哟笮　ｋS著熱處理溫度的降低，

23、顆粒尺寸分布更加均勻。</p><p>　　圖4.對(duì)不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的AFM圖像：（a）450，（b）500，（c）550°C.</p><p>　　3.4.FTIR分析</p><p>　　對(duì)不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的紅外光譜如圖5所示。一種紅外光譜用于研究化合物中的官能團(tuán)的存在。紅外光譜顯示羥基（OH伸縮頻率）的納米板鈦

24、礦TiO2薄膜3306和3670 cm-1之間。羥基含量降低后的膜被加熱在500°C紅外波段在約2927 cm-1顯示的C–H伸縮振動(dòng)問(wèn)題只有450°C紅外波段的納米板鈦礦TiO2薄膜之間1026和1062 cm-1顯示O –C–C波段的烷氧基的伸縮振動(dòng)。紅外波段的納米板鈦礦TiO2薄膜在764和806 cm-1處顯示TiO2薄膜的Ti–O–Ti鍵。紅外光譜表明，隨著熱處理溫度的薄膜的羥基基團(tuán)的量減少。</p&

25、gt;<p><b>　　3.5.光學(xué)性質(zhì)</b></p><p>　　純納米板鈦礦TiO2薄膜的吸收光譜進(jìn)行了使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)分析，如圖6所示。紫外可見(jiàn)吸收光譜表明，吸收邊移到較短的波長(zhǎng)與熱處理溫度降低。的量子尺寸效應(yīng)發(fā)生在二氧化鈦顆粒，1和10納米之間的大小變化。紫外可見(jiàn)吸收光譜表明，由于量子尺寸效應(yīng)，吸收邊移到較短的波長(zhǎng)與顆粒尺寸減小。</p><

26、;p>　　薄膜的透射和反射的值進(jìn)行了研究的波長(zhǎng)范圍為300到1000納米，如圖8和7所示使用分光光度計(jì)。</p><p>　　圖5所示，對(duì)不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的紅外光譜：（a）450；（b）500；（c）550°C.</p><p>　　圖6，對(duì)不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的吸收光譜：400，450，500，550°C</p>

27、<p>　　圖7，對(duì)不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的透射譜：400，450，500，550°C.</p><p>　　圖8。對(duì)不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的反射光譜：400，450，500，550°C.</p><p>　　我們測(cè)量的光學(xué)透射率和反射率在正常發(fā)病率。圖7中有2個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域和一個(gè)穩(wěn)定的透射區(qū)。在納米板鈦礦TiO2薄膜的熱處理溫

28、度的增加，薄膜的透過(guò)率降低。</p><p>　　我們確定的納米板鈦礦薄膜的反射率隨熱處理溫度的升高，如圖8所示。</p><p>　　我們也觀察到，隨著粒徑的減小納米板鈦礦薄膜的透射率，而XRD結(jié)果表明，薄膜的反射率隨粒徑的增大。</p><p>　　該光學(xué)帶隙的TiO2薄膜，采用式（5），其中α是吸收系數(shù)的線(xiàn)性部分，高壓光子能量和是一個(gè)常量。</p>

29、<p><b>　　4結(jié)論</b></p><p>　　在這項(xiàng)研究中，我們報(bào)告和純納米板鈦礦二氧化鈦薄膜的結(jié)構(gòu)的制備。它被發(fā)現(xiàn)的顆粒大小可以控制的熱處理溫度。結(jié)果表明，在熱處理溫度的增加導(dǎo)致的二氧化鈦薄膜的顆粒大小的增加，因?yàn)樵黾咏Y(jié)晶。純納米板鈦礦TiO2薄膜的粗糙度隨顆粒粒徑的增加。這也表明了單一取向是純粹的納米板鈦礦TiO2薄膜（211）對(duì)不同熱處理溫度下的晶體。</

30、p><p>　　純粹的納米板鈦礦薄膜的透光率隨著粒徑的減小而增加，而隨著粒徑的減小的納米板鈦礦膜反射率值下降。</p><p>　　通過(guò)降低熱處理溫度從550到400°C，顆粒尺寸減小。納米板鈦礦TiO2薄膜在較短的波長(zhǎng)區(qū)域具有吸收，從而增加了薄膜的帶隙值。作為一個(gè)結(jié)果，納米板鈦礦薄膜與體材料相比具有較大的表面積。</p><p>　　純板鈦礦相的活化能研究已

31、遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他階段由于獲取純板鈦礦的困難。</p><p>　　納米板鈦礦TiO2薄膜與體材料相比具有較高的比表面積，這就是為什么散裝材料的活化能大于薄膜的活化能。其結(jié)果是，總表面能增加，并誘導(dǎo)粒子的生長(zhǎng)需要更少的能量。納米板鈦礦TiO2薄膜的活化能是利用Arrhenius方程計(jì)算。我們發(fā)現(xiàn)純納米板鈦礦TiO2薄膜的活化能是約23.1千焦耳/摩爾。然而，有沒(méi)有發(fā)表的研究這個(gè)特定主題的文獻(xiàn)。因此，我們沒(méi)有能力比較我們