溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜

张玉才

（1.新疆特色药食用植物资源化学重点实验室；2.喀什大学化学与环境科学学院，新疆喀什844006）

溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜

张玉才1，2

（1.新疆特色药食用植物资源化学重点实验室；2.喀什大学化学与环境科学学院，新疆喀什844006）

随着溶胶-凝胶技术的快速发展、应用范围日益扩大，它在超导氧化物材料的合成中受到了广泛的应用.利用钛酸四丁酯作为前驱体，在醇溶液中进行醇解反应得到了二氧化钛溶胶，不同的陈化时间对薄膜的特征没有较大影响，薄膜的紫外吸收性能表明在波长位于200-400nm处出现了二氧化钛的特征吸收峰.

溶胶-凝胶法；钛酸四丁酯；薄膜

随着激光技术的快速发展，溶胶-凝胶法制备薄膜的工艺参数、结构和性能有了不同程度的改进，在原有的基础上制备出更具优异性能的薄膜材料[1-3].溶胶-凝胶法制备二氧化硅(SiO2)通透膜是以正硅酸乙酯为原料，在酸或碱催化的作用下，进行水解、缩聚等反应在基底上形成薄膜，这种薄膜经干燥、硬化后具有良好的防止擦除性能[4]，在形成薄膜的前后，水解反应程度和凝聚时间对溶胶的状态和其他性能都有着不同程度的影响[5].所以，为了更好地满足实用要求，在凝聚过程中需要准确控制溶胶的浓度、极性、p H和含水量等.

溶胶-凝胶法是湿法化学反应中的一类，它主要使用液体化学试剂或溶胶作为基本原料，不使用传统的粉状固体，反应物在液相中均匀地混合在一起并发生反应，最终生成稳定的溶胶体系，没有沉淀物的生成，静置一定时间后会转化为凝胶[6]，在溶胶或凝胶状态下即可定型转变为所需的产物，最终在低于传统冶炼温度的范围内制备成固态薄膜.利用溶胶-凝胶技术已制备出性能优异的SiO2、Z r02、A l2O3、SiO2-T i02和T i02等体系的分离膜[7]，使用这些无机膜可从含有C O2、N2与O2的混合气体中分离出C O2气体来.此外在玻璃表面上制备出的SiO2薄膜具有良好的减反射作用，可以通过控制工艺条件有效地处理薄膜的厚度，还可以制备对不同波长光具有良好透过率的薄膜.传感膜是最近发展速度较快的一类薄膜材料，利用溶胶-凝胶技术制备出的Nb2O5、C e O2、Z n O、S n O2和S r T iO3等薄膜已广泛应用于各类传感器件中[8].本文利用钛酸四丁酯作为无机基质，在盐酸存在的条件下发生醇解反应制得了二氧化钛溶胶，在常温下静置陈化后得到T iO2薄膜，并研究了它的紫外吸光度性能.

1 实验内容

1.1 实验仪器与药品

F A2104N电子分析天平（河南兄弟仪器设备有限公司）、T U-1900紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）、Z F B-500电热套（山东城华鲁电热仪器有限公司）、自制30W紫外灯、其他常见玻璃仪器；钛酸四丁酯，乙醇，氨水，盐酸，蒸馏水等.

1.2 实验步骤

1.2.1 基片的准备

首先用蒸馏水将表面皿基片清洗干净，接着用无水乙醇清洗两遍，置于室温下晾干，放入干燥洁净的容器中保存备用。

1.2.2 薄膜的制备

T iO2薄膜的制备过程如图1所示，用钛酸四丁酯、无水乙醇和水作为基本原料，以盐酸为催化剂.取相同体积的无水乙醇两份，一份中加入钛酸四丁酯，另一份中加入盐酸溶液，在不断搅拌的条件下，将后者溶液缓慢滴加入前者中，随后置于室温下搅拌反应5h，密封，室温下静置一定时间，利用不同的陈化时间制备溶胶.采用倾倒法将制备好的溶胶缓慢倒入清洗干净的表面皿中，室温下放置一段时间后可得到干燥纯净、不同陈化时间的T iO2薄膜.

2 实验结果和讨论

钛酸四丁酯在盐酸存在的条件下发生醇解反应制备出T iO2薄膜，从图2中可以看出制备出的T iO2溶胶经过不同的陈化时间后，在表面皿中均形成了肉眼可见的T iO2薄膜，通过照片可以看到溶胶在不同陈化时间后形成的薄膜并没有呈现出较大的差别，这说明陈化时间对该薄膜的形成影响不大.我们通过小刀将表面皿中的薄膜刻了下来，发现形成的薄膜较为完整，不易断裂，并且具有一定的颜色，这可能是由于薄膜受到光照后吸收了部分能量引起的.经过一定制备条件的改进后，我们可以设法制备出较为均一尺寸的T iO2薄膜材料，这有望实现该类薄膜材料在一些工业领域中的应用.为了近一步探究该薄膜的光学性能，我们测试了其紫外可见吸收光谱，通过测试结果我们发现该薄膜在紫外光区具有一定的吸收带，这说明T iO2薄膜具有相关的紫外吸光度。查阅相关文献也验证了T iO2在此区域内有一定的紫外吸光度，符合相应的实验结果.

图1 溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜的示意过程图

图2 不同陈化时间形成的TiO2薄膜的照片

3 结论

本文主要基于溶胶-凝胶法的基本原理，利用钛酸四丁酯、无水乙醇和盐酸等原料制备出二氧化钛薄膜，研究了影响薄膜生成的相关因素.实验结果表明溶胶的不同陈化时间对薄膜的特征没有明显影响，在一定条件下可形成尺寸均一稳定的薄膜材料.紫外吸收光谱表明二氧化钛薄膜具有特征吸收带，在200-400n m处出现了T iO2的特征吸收带.

图3 TiO2薄膜的紫外-可见吸收光谱图

[1]郑伟涛，李晓天，王欣，等.薄膜材料与薄膜技术[M].北京：化学工业出版社，2003:20-23.

[2]尹荔松,周歧发,唐新桂.溶胶-凝胶法制备纳米T iO2的凝胶过程机理[J].功能材料,1999,30(4)：407-409.

[3]沈军,王珏,甘礼华.溶胶-凝胶法制备SiO2气凝胶及其特性研究[J].无机材料导报,1995,10(1):69-75.

[4]宋继芳.溶胶-凝胶技术的研究进展[J].无机盐工业，2005，63(1)：5-10.

[5]王娟，李晨，徐博.溶胶-凝胶技术的基本原理发展及应用现状[J].化学工业与工程,2009，27(3)：98-101.

[6]孙继红,范文浩.溶胶-凝胶法制备薄膜涂层的技术与应用[J].光学技术,1999,25(4):27-28.

[7]于志伟,谈国强.溶胶-凝胶法制备薄膜[D].西安：陕西科技大学,2006.

[8]刘小林,张伟清.PC-A BS高分子合金材料的热粘塑性内时本构模型[J].光子学报,2000，29(11)：1035－1039.

责任编辑：张隆辉

TB321，O613.72

A

1672-2094（2017）01-0162-02

2016-11-17

新疆维吾尔自治区喀什大学大学生创新计划项目（编号20160763049）.

张玉才（1989-），男，甘肃兰州人，喀什大学助教，硕士.研究方向：功能材料的制备与研究.