水-气界面自组装合成二氧化钛薄膜

费海娟

江苏省南通市广播电视大学 226006

1.概述

薄膜材料一直都是影响国家生产力的关键因素，纳米材料的广泛研究为纳米结构薄膜材料的开发和研究提供了坚实的基础。目前，利用自组装的方法制备类似生物材料的有序纳米结构，从分子到宏观物体的各种不同尺度下的自组装体系一直是研究的热点，技术也已经较为成熟，出现了多种方法如水-气界面自组装、层层自组装、热处理自组装和气相沉积法自组装等[1]。

二氧化钛薄膜技术在工业上具有很大的应用价值，因为与其他材料如SiO2和ZrO2相比，它有独特的优点，如高的水通量，半导体，催化和耐化学性。

研究表明[2]，加入表面活性剂能使新型纳米多孔材料具有较大的孔径。本文采用聚乙二醇（PEG）作为有机添加剂，通过控制PEG的量，可以制备出更小尺寸和形状的二氧化钛薄膜纳米颗粒膜。

2.实验

化学试剂：去离子水，钛（IV）的正丁醇（80 %）的溶液，聚乙二醇（PEG），三乙胺（TEA），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）。薄膜的合成和转移采用以下2种方法：

（a）钛（IV）的正丁醇（1克）被逐滴加入到大量过量的茶（6.7克）。黏稠的混合物在室温下搅拌10分钟，直到它变得几乎清晰的淡黄色。然后加水（22）在室温下搅拌1～2分钟。然后加入固体结晶C16TAB（0.55克）室温下继续搅拌1～2分钟，再过5分钟浑浊的溶液成为无色透明。将足量的该溶液（pH＝9～10）轻轻倒入样品槽，以确保厚度约为1mm。

（b）钛（IV）的正丁醇（1克）被逐滴加入到大量过量的茶（6.7克），将混合物搅拌10分钟，得到淡黄色的溶液转移到样品槽。然后CTAB（0.55克）加0.2gPEG,溶解在水中后轻轻倒入样品槽的浅黄色溶液中(pH＝9～10)。

容器是密封的，在18～21℃下，静置48～72小时直到可以观察到空气-水界面有薄膜形成。薄膜的生长过程中，与膜的底部接触，它可以被转移到一个玻璃基板中，以便进行进一步的实验。

3.结果与讨论

对这两种薄膜进行X射线衍射（XRD），收集电子显微镜TEM图像。结果显示用CTAB制备的二氧化钛薄膜，是非常薄的，脆弱的，分散的，在聚乙二醇的存在下制备的薄膜与CTAB制备的薄膜外观十分相似。很难区分。

可以看出，2θ在低角度的主要峰，可用于薄膜的观察。有明显的反射归因于层状结，值得注意的是，两个测量的d间距的膜无PEG（2.3nm）和含有PEG（2.4nm）都是小于两倍的CTAB分子的长度，两个测量的d间距的膜无PEG（2.3nm）和含有PEG（2.4nm）变化不是很大。

图1 二氧化钛薄膜XRD

图2 二氧化钛薄膜的SEM

二氧化钛薄膜在聚乙二醇存在下的扫描电镜图像（图a）显示，大量的自组装二氧化钛颗粒堆积在一起，薄膜表面满是蠕虫状孔隙， 显然这是由堆积空隙所致。

4.结语

以CTAB为模板，在聚乙二醇气液界面自组装得到的二氧化钛薄膜的颗粒呈蠕虫状多孔结构。从SEM图像可以看出，这种方法制备的薄膜具有不规则的棒状颗粒，在CTAB中加入PEG制备出的薄膜表面则是由更小的粒子组成，这是因为在空气-水界面薄膜的纳米颗粒可以与大分子有效相互作用[3]，即通过茶三羟基将二氧化钛颗粒与PEG链连接。

所以，结构表明，自组装过程中，分子在界面的识别至关重要，组装完成后其最终的结构具有最低的自由能。

[1]胡成春.生存之源：探求新能源[M].北京：金盾出版社，科学出版社，1998.

[2]施惠生.材料概论 [M].上海：同济大学出版社，2002.

[3]X. H. Liu, C. Kan, X. Wang, X. J. Yang and L. D. Lu, J. Am.Chem. Soc.