TiO 2 /PDA复合薄膜的制备及其表面性能的研究
发布时间：2021-11-08 11:06
二氧化钛（TiO2）是一种具有良好光催化性能、高的光电转换效率以及亲水性等特性的节能材料,在污水以及尾气处理、染料敏化太阳能电池和自清洁玻璃等领域,具有广阔的应用前景。但是通常TiO2作为粉体形式会存在团聚、不利于回收、容易造成二次污染的问题,TiO2薄膜形式则可以解决这一问题,但其与基底间的附着力较弱,并且TiO2较宽的禁带宽度也阻碍了光生电子的产生,限制了其对太阳能的利用,因此,提高TiO2薄膜附着力、扩展其光吸收范围是TiO2薄膜在实际应用中需要解决的重要问题。本文以溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜为主体,采用聚多巴胺（PDA）作为中间粘附层,成功制备了TiO2/PDA复合薄膜,探讨不同工艺条件对其结构和表面性能的影响。主要的研究内容如下:（1）分别对PDA、TiO2薄膜进行工艺参数的优化。首先利用多巴胺（DA）氧化自聚合在基底上沉积形成PDA薄膜,探讨沉积时间对PDA薄膜的影响。实验结...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)金红石，(b)板钛矿和(c)锐钛矿相TiO2的晶体结构示意图
TiO2/PDA复合薄膜的制备及其表面性能的研究4的作用导致在基片表面形成均匀的膜层，蒸发干燥后形成凝胶膜，并且可重复提拉多次，其厚度和均匀性也容易控制，受到污染的可能性较校制备TiO2薄膜的前驱体主要有钛酸乙酯、钛酸丁酯、四氯化钛等，常用的溶剂是乙醇、丙醇和异丙醇等，通常加入浓硝酸、冰醋酸或二乙醇胺作为稳定剂。制得的薄膜分布较均匀，并且可以在基底上进行多次镀膜，有利于制得多组分膜。图1.2浸渍提拉法(a)和旋涂法(b)Fig.1.2Dip-coating(a)andspin-coating(b)1.4TiO2薄膜的表面性能1.4.1润湿性自从1997年，藤岛等人发现TiO2薄膜在紫外光照射下，薄膜表面的接触角可下降至接近0°，表现为超亲水表面以来[24]，TiO2的光致亲水性能展现了巨大的应用潜力。关于其光致亲水的机理，Watanabe小组提出了一种被广泛接受的润湿机制，即TiO2表面的亲水性与氧空位的产生有关[25,26]。通过吸收能量等于或大于TiO2带隙的光子，电子从价带开始迁移进入到导带，从而在其表面形成电子-空穴对。所生成的电子将Ti(IV)阳离子还原为Ti(III)，空穴将O2-阴离子氧化为O2从表面释放出来，形成有利于水吸附的氧空位[27]。对于TiO2本身而言，粗糙表面的润湿性受粗糙度的影响，在润湿过程中，除去压力和化学成分等外部因素，润湿性取决于表面形貌以及界面能的变化。Zeng等人通过自组装方法制得的TiO2薄膜透明无裂纹，表现出了优异的润湿性能，能在自清洁和防雾方面得到应用[28]。其次，构建具有纹理、多孔、高比表面积的结构也能增强TiO2的亲水性。在没有紫外光照射下，TiO2薄膜由于多孔性和高能量的表面羟基表现出超亲水性以及超快的液滴扩
TiO2/PDA复合薄膜的制备及其表面性能的研究8图1.3(A)贻贝的图片，(B)贻贝足丝斑块和衬底之间Mefp-5的界面位置的图解插图，(C)Mefp-5简化分子结构的胺基和邻苯二酚基团，(D)足丝蛋白Mefp-5的氨基酸序列，(E)多巴胺的分子结构，(F)说明聚多巴胺薄膜在碱性溶液中沉积过程的示意图，(G)聚多巴胺薄膜的厚度随着沉积时间的增加而增加[50]Fig.1.3(A)Photographofmussel,(B)SchematicillustrationsofinterfaciallocationofMefp-5betweenmusselbyssalplaquesandsubstrate,(C)AmineandcatecholgroupsatsimplifiedmolecularstructureofMefp-5,(D)AminoacidsequenceofMefp-5inthefootprotein,(E)Moleculestructureofdopamine,(F)Schematicillustrationofdepositionprocessofpolydopaminethinfilminaalkalinesolution,(G)Thethicknessofpolydopaminefilmwithincreasingdepositiontime1.6.1聚多巴胺的形成机理溶液氧化法是应用最广泛的制备聚多巴胺的一种方法，反应温和，省去了复杂的仪器和苛刻的条件。PDA涂层的形成包括氧化聚合和粘附两个过程，第一个阶段是多巴胺分子氧化自聚生成PDA聚集体，这些聚集体在溶液中运动到合适的位置，依靠PDA与基底之间的相互作用力驱动第二个阶段的发生，使得PDA粘附沉积在基底表面形成涂层。虽然DA可以很容易地聚合形成PDA，但是多巴胺多个化学反应位点的存在，导致形成PDA的过程十分复杂，因此PDA的形成机理一直是科学家争论的话题。由于复杂的氧化还原过程以及在聚合反应过程中一系列中间体的产生，至今没有明确的结论[54]。普遍认同的聚合过程如图1.4所示，首先多巴胺被氧化为醌式结构，然后伯胺经过亲核反应发生分子内环化，再通过分子内重排反应生成5，6-二羟基吲哚，最后自聚合发生[55,56]。有些人
本文编号：3483576
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)金红石，(b)板钛矿和(c)锐钛矿相TiO2的晶体结构示意图
TiO2/PDA复合薄膜的制备及其表面性能的研究4的作用导致在基片表面形成均匀的膜层，蒸发干燥后形成凝胶膜，并且可重复提拉多次，其厚度和均匀性也容易控制，受到污染的可能性较校制备TiO2薄膜的前驱体主要有钛酸乙酯、钛酸丁酯、四氯化钛等，常用的溶剂是乙醇、丙醇和异丙醇等，通常加入浓硝酸、冰醋酸或二乙醇胺作为稳定剂。制得的薄膜分布较均匀，并且可以在基底上进行多次镀膜，有利于制得多组分膜。图1.2浸渍提拉法(a)和旋涂法(b)Fig.1.2Dip-coating(a)andspin-coating(b)1.4TiO2薄膜的表面性能1.4.1润湿性自从1997年，藤岛等人发现TiO2薄膜在紫外光照射下，薄膜表面的接触角可下降至接近0°，表现为超亲水表面以来[24]，TiO2的光致亲水性能展现了巨大的应用潜力。关于其光致亲水的机理，Watanabe小组提出了一种被广泛接受的润湿机制，即TiO2表面的亲水性与氧空位的产生有关[25,26]。通过吸收能量等于或大于TiO2带隙的光子，电子从价带开始迁移进入到导带，从而在其表面形成电子-空穴对。所生成的电子将Ti(IV)阳离子还原为Ti(III)，空穴将O2-阴离子氧化为O2从表面释放出来，形成有利于水吸附的氧空位[27]。对于TiO2本身而言，粗糙表面的润湿性受粗糙度的影响，在润湿过程中，除去压力和化学成分等外部因素，润湿性取决于表面形貌以及界面能的变化。Zeng等人通过自组装方法制得的TiO2薄膜透明无裂纹，表现出了优异的润湿性能，能在自清洁和防雾方面得到应用[28]。其次，构建具有纹理、多孔、高比表面积的结构也能增强TiO2的亲水性。在没有紫外光照射下，TiO2薄膜由于多孔性和高能量的表面羟基表现出超亲水性以及超快的液滴扩
TiO2/PDA复合薄膜的制备及其表面性能的研究8图1.3(A)贻贝的图片，(B)贻贝足丝斑块和衬底之间Mefp-5的界面位置的图解插图，(C)Mefp-5简化分子结构的胺基和邻苯二酚基团，(D)足丝蛋白Mefp-5的氨基酸序列，(E)多巴胺的分子结构，(F)说明聚多巴胺薄膜在碱性溶液中沉积过程的示意图，(G)聚多巴胺薄膜的厚度随着沉积时间的增加而增加[50]Fig.1.3(A)Photographofmussel,(B)SchematicillustrationsofinterfaciallocationofMefp-5betweenmusselbyssalplaquesandsubstrate,(C)AmineandcatecholgroupsatsimplifiedmolecularstructureofMefp-5,(D)AminoacidsequenceofMefp-5inthefootprotein,(E)Moleculestructureofdopamine,(F)Schematicillustrationofdepositionprocessofpolydopaminethinfilminaalkalinesolution,(G)Thethicknessofpolydopaminefilmwithincreasingdepositiontime1.6.1聚多巴胺的形成机理溶液氧化法是应用最广泛的制备聚多巴胺的一种方法，反应温和，省去了复杂的仪器和苛刻的条件。PDA涂层的形成包括氧化聚合和粘附两个过程，第一个阶段是多巴胺分子氧化自聚生成PDA聚集体，这些聚集体在溶液中运动到合适的位置，依靠PDA与基底之间的相互作用力驱动第二个阶段的发生，使得PDA粘附沉积在基底表面形成涂层。虽然DA可以很容易地聚合形成PDA，但是多巴胺多个化学反应位点的存在，导致形成PDA的过程十分复杂，因此PDA的形成机理一直是科学家争论的话题。由于复杂的氧化还原过程以及在聚合反应过程中一系列中间体的产生，至今没有明确的结论[54]。普遍认同的聚合过程如图1.4所示，首先多巴胺被氧化为醌式结构，然后伯胺经过亲核反应发生分子内环化，再通过分子内重排反应生成5，6-二羟基吲哚，最后自聚合发生[55,56]。有些人
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