溶膠—凝膠法合成鈦酸鉀及其薄膜的制備.pdf

1、鈦酸鉀晶須是一種高性能多用途的材料，對鈦酸鉀晶須的研究已經(jīng)取得巨大成就，但是仍沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。其根本原因是鈦酸鉀晶須的表面和界面問題沒有解決，也就是在實(shí)際應(yīng)用中存在鈦酸鉀表面的潤濕性和軟團(tuán)聚問題，使得鈦酸鉀晶須復(fù)合材料力學(xué)性能不穩(wěn)定。雖然可以通過對鈦酸鉀表面改性改善其性能，但是并不能真正解決鈦酸鉀的表面和界面問題。
　　 本文以需求為導(dǎo)向，利用先進(jìn)的表面研究技術(shù)(原子力顯微鏡(AFM)的高分辨、多功能特性和自組裝單分子膜

2、結(jié)構(gòu)可控)研究鈦酸鉀的表面，以材料的需求-設(shè)計(jì)-合成為主線，圍繞組成-結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系，設(shè)計(jì)并制備了鈦酸鉀薄膜和TiO2薄膜。具體研究內(nèi)容歸納如下：
　　 以Ti(n-OC4H9)4和CH3COOK為前驅(qū)體，根據(jù)鈦酸鉀(K20.2TiO2、K20.4TiO2、K20.6TiO2)分子組成配制了不同鈦鉀比例的溶膠，即TiO2/K2O=2，4，6(摩爾比)的Ti(n-OC4H9)4-CH3COOK溶膠；結(jié)合水合氧化鈦-碳酸鉀固相反應(yīng)

3、機(jī)理，首次在低溫下制備了鈦酸鉀納米薄膜，為組成復(fù)雜的薄膜制備提供了新的方法。
　　 研究表明，在鈦酸鉀納米薄膜的制備中，生成K2Ti2O5、K2Ti4O9、K2Ti6O13的起始反應(yīng)溫度不同，分別為259℃、276℃和300℃。從溶膠-凝膠法制備的不同鈦酸鉀晶體的形貌不同。TiO2/K2O=2和4的凝膠形成的K2Ti2O5和K2Ti4O9晶須質(zhì)量高，具有大的長徑比，晶須生長非常均勻。而TiO2/K2O=6的溶膠-凝膠由于缺少K2

4、O熔體，熱處理過程只能使之生成K2Ti6O13顆粒，而不能生長為K2Ti6O13晶須。
　　 鈦酸鉀薄膜的制備采用分步熱處理的方法，即：低溫預(yù)熱處理、高溫?zé)Y(jié)。從而確保生成的薄膜在低溫下純度高、反應(yīng)完全，而又不至于由于熱處理溫度高而致使晶粒長大。最終熱處理溫度為600℃時，采用Scherrer公式對K2Ti2O5(111)衍射峰估算晶粒約為20 nm；K2Ti4O9(200)峰晶粒約為14 nm；K2Ti6O13(200)峰晶粒

5、約15 nm。AFM圖上晶粒分別為：K2Ti2O5約150～200nm；K2Ti4O9約50～100 nm；K2Ti6O13約80～180 nm；由于薄膜與粉體的生長機(jī)理不同，致使二者相差甚大；AFM圖中看到的薄膜是由平整的晶粒組成，晶粒的長度/高度比例達(dá)到11。
　　 TiO2/K2O=2的凝膠熱處理制得K2Ti2O5晶須。由于K2Ti2O5的層狀結(jié)構(gòu)，在不同溫度熱處理時存在晶體的取向生長，從600℃至750℃是沿(111)晶

6、面生長，在800℃時轉(zhuǎn)變?yōu)?001)晶面取向。由此溶膠制備的K2Ti2O5薄膜上的顆粒尤其平整，晶粒越大越平整，其生長模式是沿著某一晶面生長，任意一個顆粒的平整晶面達(dá)到約190nm。因此，本文為研究復(fù)雜組成的晶態(tài)薄膜生長機(jī)理提供一條新的思路。
　　 在鈦酸鉀薄膜表面形成十八烷基三氯硅烷(OTS)自組裝單分子膜，研究了鈦酸鉀薄膜對OTS的光催化降解性能并與溶膠-凝膠法制備的TiO2薄膜(S-G)比較；在空氣中紫外光照射下，薄膜對O

7、TS-SAM產(chǎn)生光降解。由于K2Ti2O5和K2Ti4O9的化學(xué)活性，在K2Ti2O5薄膜上OTS-SAM水接觸角降低速度最快，K2Ti4O9次之，K2Ti6O13比較緩慢，而鈦酸鉀薄膜的光催化活性都比TiO2薄膜(S-G)高。
　　 鈦酸鉀薄膜在紫外和可見區(qū)呈現(xiàn)較強(qiáng)和較寬的光吸收。對K2Ti6O13薄膜光吸收曲線進(jìn)行線性擬合得到K2Ti6O13薄膜的禁帶寬度為3.05eV，與體相K2Ti6O13起始吸收(約370 nm)和Ti

8、O2(S-G)薄膜的起始吸收相比，吸收波長都產(chǎn)生紅移。
　　 光電化學(xué)研究表明，鈦酸鉀薄膜具有n-型半導(dǎo)體特性，光電極內(nèi)光生電荷的傳輸性良好；具有較強(qiáng)的光激發(fā)。在溶液中，K2Ti6O13薄膜電極的瞬態(tài)光電流和瞬態(tài)開路電壓都比K2Ti2O5和K2Ti4O9高而且穩(wěn)定；在堿性溶液中，由于氫氧根離子易于捕獲光生空穴，使K2Ti6O13薄膜光電流比在Na2SO4溶液中增加，并且比TiO2薄膜(S-G)的光電流大。K2Ti6O13薄膜的平

9、帶電位約為-0.67V(vs.SCE)，與TiO2薄膜(S-G)相比，具有較強(qiáng)的還原能力。
　　 采用離子交換從K2Ti2O5薄膜制得了TiO2薄膜電極，循環(huán)伏安測定表明，從500℃和400℃熱處理2h的K2Ti2O5薄膜得到的TiO2薄膜電極光電化學(xué)活性高，經(jīng)反復(fù)掃描未發(fā)現(xiàn)TiO2的活性下降。從0.1mol/LNa2SO4溶液中不同TiO2薄膜電極的伏安曲線得到TiO2薄膜電極的平帶電位分別為-0.543V(TiO2(S-G)