TiO2多晶薄膜的微观表征研究

材料分析测试方法课程设计任务书 课程设计题目：TiO2多晶薄膜微观表征研究 课程设计内容：

通过查阅资料了解TiO2多晶薄膜应用及其晶体结构知识，设计方案制备TiO2多晶薄膜并运用材料分析课程所学的材料分析实验工具知识，进行材料的微观结构分析，成分分析，加深对各实验仪器原理及材料学中结构决定性能的理解。

课程设计要求： 1.针对材料分析测试课题，选择适合的测试方法、实验仪器、实验参数和试样制备方法等，设计出一套切实可行的实验方案和实验步骤，并说明选择依据和测试注意事项，运用所学的知识对实验方案进行深入分析讨论。 2.结合实验室条件，制备满足分析测试要求的样品，并上机进行实验测定，分析处理实验数据，对实验结果进行分析讨论。 3.完成四千字以上课程设计论文一篇，论文包括前言、实验方法、实验结果、结论、参考文献等项内容。 4.设计要求图文规范，严格按照学校要求的课程设计论文格式打印。

学生（签名） 2013 年 1 月 8 日 材料分析测试方法课程设计评语 指导教师（签名） 年 月 日 目录 材料分析测试方法 ....................................... 错误!未定义书签。 课程设计（论文） ....................................... 错误!未定义书签。  第一章 前 言 ........................................................................ 0  1.1纳米TiO2的基本结构 ..................................................... 0

 1.2纳米TiO2的表面性质 ..................................................... 1

 1.3 纳米TiO2的应用 ............................................................ 2

 第二章 实验方案 .................................................................. 6  2.1 TiO2的制备方法 .............................................................. 6

 2.2实验设备 .......................................................................... 8  2.3 实验方法与步骤 ............................................................. 9  第三章 实验结果分析 ...................................................... 10  3.1 AFM图的分析 .............................................................. 10  3.2 XRD图谱分析[11] .......................................................... 11

 3.3 XPS图谱分析 ................................................................ 13  第四章 结论 ........................................................................ 15  参考文献 .............................................................................. 16  第一章 前 言 自从1972年发现TiO2电极在紫外光照下能降解水产氢以来，TiO2

成为研究的热点。发现电极在紫外光照下能降解水产氢以来，成为研究

的热点。具有高光催化活性、无毒、物理和化学稳定性好等特点，在光还原降解水和光催化氧化降解有机污染物等领域有广泛的研究。同时，具有高折射率、高介电常数和可见光透光率好等特性，越来越受到光学和电子学研究者的青睐。近年来，研究者发现在紫外光照下，具有超亲水，甚至同时具备超亲水和超亲油的特性，这些性质在表面自清洁和表面防雾等方面有重要的应用。

 1.1纳米TiO2的基本结构

二氧化钛是金属钛的一种氧化物，其分子式是TiO2。根据其晶型。可分为板钛矿型、锐钛矿型和金红石型三种。其中锐钛矿型TiO2属于四方晶系，其晶格参a=37．85nm，Co=95．14 nm。图1-1为两种晶型单元结构图[1] ，锐钛矿型TiO2的单元结构中钛原子处于钛氧八面体的中心，其周围的六个氧原子都位于八面体的棱角处，有四个共棱边，也就是说，锐钛矿型的单一晶格有四个TiO2分子[2]。锐钛型TiO2的八面体呈明显的斜方晶型畸变，Ti—O键距离均很小且不等长，分别为1.937A和1.964A，这种不平衡使TiO2分子极性很强，强极性使TiO2表面易吸附水分子使水分子极化而形成表面羧基[3]。 图1-1 TiO2两种晶型单元结构图 图1-2 这种表面羟基的特殊结构使其表面改性成为可能，它可作为广义碱与改性剂结合，从而完成对TiO2的表面改性[4]。

 1.2纳米TiO2的表面性质

1.2.1表面超亲水性 目前的研究认为，在光照条件下，TiO2表面的超亲水性起因于其表面结构的变化；在紫外光照射下，TiO2价带电子被激发到导带，电子和空穴向TiO2表面迁移，在表面生成电子空穴对，电子与Ti 反应，空穴则与表面桥氧离子反应，分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时，空气中的水解离作吸附在氧空位中，成为化学吸附水(表面羟基)，化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层。

1.2.2 表面羟基 相对于其它颜料的金属氧化物，TiO2中Ti一O键的极性较大，表面吸附的水因极化发生解离，容易形成羟基。这种表面羟基可提高TiO2 作为吸附剂及各种载体的性能，为表面改性提供方便。

1.2.3表面馥碱性 二氧化钛(俗称钛白)用于涂料时，其表面酸碱性与涂料介质密切相关。在改性时常加入Al 、Si 等氧化物， 或Si的氧化物单独存在时无明显的酸碱性，但与TiO2 复合，则呈现强酸性，可以制备固体超酸。因此，加入其它金属氧化物改性时，可以形成新的酸碱点。MoO3一TiO2

表面有较强的酸性，而ZnO2 一TiO2表现出明显的碱性。

 1.3 纳米TiO2的应用

纳米二氧氧化钛是一种重要的无机材料，被广泛应用于涂料、化妆品、抗菌剂、污水处理等方面。下面介绍纳米二氧化钛的几种主要用途。

1.3.1 光化学作用 TiO2被认为是最有效且对环境友好的光催化剂，其光催化机理是很容易理解的，当吸收光子的能量高于TiO2的带隙时，电子可以从半导体的夹带激发引导形成电子空穴对，反应物水溶液中的水分子吸附在纳米粒子表面，然后其表面的空穴与溶解在粒子表面的水和氧化物，产生氢氧自由基，氢氧自由基有极强的氧化能力，能氧化分解水中的大部分有机物和无机物，并使之转变为二氧化碳或其他无毒无机物。 由于TiO2具有超亲水性和光催化性，使涂有TiO2薄膜的玻璃同时也具有自清洁和防雾的功能，TiO2光催化剂也可以用来杀菌和杀死癌细胞。

1.3.2 污水处理 利用TiO2的管催化机理，TiO2纳米材料已经广泛地用于光降解各种污染物，利用各种形式TiO2为催化剂的光催化反应体系，在工业污水、染料废水、农药废水、氰化物、制药废水、含油废水、有机磷化物等废水处理中，都能有效地进行光催化反应使其转变为水、二氧化碳、磷酸根离子、硝酸根离子、卤离子等无机小分子，达到完全无机化的目的，TiO2光催化降解中有机物可以充分利用太阳能，这对于节约能源、保护环境、维持生态平衡、实现可持续发展具有重大意义。光催化降解技术具有常温常压下就可进行，能彻底破坏有机物，没有二次污染且费用不太高等优点。

1.3.3 气体净化 随着工业的发展和人民生活水平的不断提高，环境污染问题已日趋严重，有害气体净化同样受到人们的重视。近年来逐渐发展起来的纳米TiO2光催化降解技术为这一问题的解决提供了良好的途径。环境有害气体可分为两个方面：室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫酵、硫化氢、氨气等，这些气体在百万分之几时就能使人产生不适感。TiO2通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。大气污染气体主要指由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化物，利用纳米TiO2 的光催化作用可将这些气体氧化，形成蒸气压低的硝酸或硫酸．这些硝酸或硫酸可在降雨过程中除去，而达到降低大气污染的目的。

1.3.4 抗菌除臭 抗菌是指TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。在人们的居住环境中存在着各种有害微生物，对人类生活产生不良影响。家居环境中的一些潮湿的场合如厨房、卫生问等，微生物容易繁殖，导致空气菌浓和物品表面菌浓增大，对人的健康产生威胁。利用纳米TiO2的光催化性可充分抑制或杀灭环境中的有害微生物，使环境微生物对人的危害降低 。空气中的恶臭气体主要有含硫化物(如 S、硫醇、硫醚等)、含氮化合物(如胺类、酰胺等)、卤素及其衍生物(如C 12、卤代烃等)。近年来采用二氧化钛光催化剂和其他吸附剂组成的混合物除臭已得到实际应用。气体吸附剂吸附的这些臭气经扩散与二氧化钛接触，二氧化钛将气体氧化分解后既不降低吸附剂的吸附活性，又解决二氧化钛对臭气吸附性较差的缺点，大大提高了臭气的光降解效率[5]。