聚酰亞胺表面TiO2薄膜的室溫SILAR法生長行為與光催化性能.pdf

1、高性能聚合物材料在電子器件柔性化與小型化及航空航天等高端領域有著巨大的應用前景和迫切需求，與此同時，還要提高其環(huán)境穩(wěn)定性，實現(xiàn)表面功能化以適應不同應用需求。本論文以聚酰亞胺(Kapton)基體上連續(xù)離子層吸附反應法(SILAR)制備TiO2薄膜為研究對象，運用EPR、TEM、XRD、Raman、XPS、AFM和SEM等多種現(xiàn)代分析測試方法，研究了TiO2薄膜的生長過程、晶體結構和光催化性能，揭示了SILAR法沉積TiO2薄膜的生長規(guī)律和

2、薄膜可持續(xù)生長的驅動機制，闡明了室溫下Kapton基體表面沉積TiO2薄膜的結晶機理，分析了Kapton基體表面TiO2薄膜的光催化性能及光誘導自由基演化規(guī)律。
　　針對薄膜生長過程的研究表明，Kapton表面SILAR法沉積TiO2薄膜在10次沉積循環(huán)期內基體未完全覆蓋，沉積層表面粗糙度不斷增加，具有島狀生長模式；此后則以平面狀方式生長，粗糙度下降到2.5nm，表面生長形貌體現(xiàn)出離子層沉積的特征，沉積速度趨于穩(wěn)定值0.5 nm/

3、cycle。在Kapton上SILAR法沉積TiO2的表面反應本質是基體表面活化生成活性羥基自由基，在此后的沉積循環(huán)中這種表面羥基自由基都會不斷生成并在一定時間內穩(wěn)定。這降低了表面水接觸角，增強了Ti4+離子的表面吸附和反應能力，成為SILAR法持續(xù)沉積的驅動力。
　　針對薄膜結構的研究表明，室溫下Kapton表面SILAR法沉積的TiO2薄膜由包含少量銳鈦礦和金紅石相的有序區(qū)的非晶結構組成。但是，在石英玻璃或預沉積非晶態(tài)SiO2

4、薄膜的Kapton表面或在非晶態(tài)聚乙烯表面沉積的TiO2薄膜則是完全的無序非晶態(tài)結構。室溫下Kapton表面SILAR法沉積TiO2薄膜能夠結晶的原因是Kapton基體具有結晶有序性特征及其在臭氧/紫外活化處理后表面形成類石墨化結構。在陽離子前驅體(H2O)中加入表面活性劑TEAH作為模板劑，能夠顯著提高TiO2薄膜的結晶度，形成以銳鈦礦為主、晶粒尺寸約5nm的納米晶結構，并顯著增加薄膜表面粗糙度。在TEAH和CTAC組成的復合模板劑作

5、用下，40次循環(huán)沉積的TiO2薄膜表面粗糙度增加至191.76 nm，形成有序形貌，表現(xiàn)出明顯的自組裝特征，獲得超大表面積的銳鈦礦薄膜。含氨模板劑促進室溫下SILAR法沉積的TiO2薄膜結晶度提高的主要機理在于基體表面結構的類石墨化、模板劑的膠束吸附和結構自組裝作用及N元素的摻雜效應。
　　另外，質子輻照Kapton基體后引起材料表面的顯著石墨化、表面大量生成活性自由基大大促進了室溫下SILAR法沉積TiO2薄膜形核生長過程并提高

6、結晶度，主要生成銳鈦礦結構。純TiO2薄膜結晶度很低，經質子輻照后顯著晶化，生成銳鈦礦結構。此時，結構變化的主要原因是質子輻照注入能量，有助于原子擴散和重排，促進TiO2薄膜晶化。
　　Kapton基體表面SILAR法沉積的TiO2薄膜對亞甲基藍溶液具有很弱的光催化降解能力，使用含氨模板劑可以顯著提高TiO2薄膜對亞甲基藍溶液的光催化降解能力。在波長λ=254nm、光強I=1.5mW的紫外光照射120min條件下，40cycles

7、-TiO2薄膜的降解率很低，僅有11.3％，單一模板劑作用下沉積的40cycles-TEAH-TiO2薄膜的降解率達80.0%，復合模板劑作用下沉積的40cycles-CTAC+TEAH-TiO2薄膜的降解率達91.1%，其繼續(xù)照射至210min時降解率高達99.1%。同時，TiO2薄膜光催化降解性能的發(fā)揮還與激發(fā)光源的波長和光強相關。當光源的光強降低時，在波長λ=254nm、光強I=0.1mW的紫外光照射120min條件下，40cyc

8、les-CTAC+TEAH-TiO2薄膜的降解率明顯降低至14.6%。當光源的波長增加時，在波長λ=365nm、光強I=0.1mW的紫外光照射120min條件下，60cycles-CTAC+TEAH-TiO2薄膜的降解率也明顯降低至8.0%。
　　電子順磁共振譜分析表明，Kapton基體表面SILAR法沉積的TiO2薄膜在紫外輻射條件下的光催化反應本質是生成了羥基自由基(·OH)，自由基的濃度隨著紫外輻射時間增加而增大。Ti O2