畢業(yè)論文——熱處理對納米板鈦礦二氧化鈦薄膜的溶膠-凝膠法生產(chǎn)粒度的影響

1、<p>　　熱處理對納米板鈦礦二氧化鈦薄膜的溶膠-凝膠法生產(chǎn)粒度的影響</p><p>　　摘要：純納米板鈦礦二氧化鈦（TiO2）薄膜沉積在玻璃基板上，以鈦酸丁酯和 乙酸為原料通過旋涂法對二氧化鈦薄膜的顆粒尺寸的熱處理溫度進行控制。顆粒生長的活化能被計算為23.1 kJ / mol的結構和光學性質的純納米板鈦

2、礦TiO2薄膜，通過X射線衍射（XRD），原子力顯微鏡（AFM），掃描電子顯微鏡（SEM），紫外可見吸收光譜（UV–VIS），傅立葉變換紅外光譜（FTIR）表征。</p><p>　　關鍵詞：TiO2 粒子納米板鈦礦 溫度 尺寸 溶膠-凝膠</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　TiO2（二氧化鈦）是一個非常

3、重要的過渡金屬氧化物由于其使用在各種應用中，包括光電應用，光催化活性，太陽能電池，電致變色應用，氫儲存和氣體傳感器。板鈦礦相，是TiO2的三個階段，是很難在其純粹的形式產(chǎn)生。</p><p>　　有幾種方法已被用于制備板鈦礦TiO2結構，包括水熱法，溶膠-凝膠沉積，化學氣相沉積（CVD），和脈沖激光沉積（PLD）。</p><p>　　許多不同的TiO2結構是在板鈦礦相，包括粉末，薄膜，納

4、米棒和納米花。納米TiO2的板鈦礦相由TiCl4水解合成（四氯化鈦），鈦酸丁酯和丁醇在HCl和NaCl溶液。納米二氧化鈦的板鈦礦相通常用于太陽能電池和光催化應用。粒徑，可與溶膠凝膠涂層的工藝控制–，是納米技術的一個非常重要的參數(shù)。采用溶膠-凝膠法在不同制備條件下制備納米二氧化鈦，如熱處理。熱處理對納米TiO2的粒徑的影響進行了詳細的研究。利用X射線衍射法測定了溶膠-凝膠沉積過程中的熱處理溫度，可以控制納米二氧化鈦的粒徑。銳鈦礦相納米Ti

5、O2粒徑粉末與溫度之間的400和800°C已被發(fā)現(xiàn)在6.2至21.1納米的范圍內(nèi)。粒子尺寸納米晶TiO2薄膜產(chǎn)生溫度350至550°C已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)12.4范圍為20.3 nm，和溫度之間的350和500°C產(chǎn)生銳鈦礦相納米TiO2顆粒在7～30 nm范圍內(nèi)。公布的結果表明，納米TiO2的隨熱處理溫度的增加，因為增加的結晶粒度。熱處理可以提高非晶態(tài)化合物的結晶度。</p><p>　　相

6、的銳鈦礦和板鈦礦，可轉變?yōu)榻鸺t石相他們火熱的時候，是亞穩(wěn)態(tài)，而金紅石相是穩(wěn)定的。板鈦礦相難以產(chǎn)生純。作為一個結果，純板鈦礦相的活化能已被確定是遠低于的銳鈦礦和金紅石相的活化能。銳鈦礦相TiO2薄膜沉積的活化能計算約77.9 kJ／mol。</p><p>　　板鈦礦–金紅石過渡的活化能已被計算為143.4 kJ / mol Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov（JMAK）模型，為492.1

7、3 kJ / mol的JMAK模型。我們研究的目的是確定活化能的純納米板鈦礦TiO2薄膜顆粒生長的價值。我們利用鈦酸丁酯，乙醇和乙酸合成的純板鈦礦相納米TiO2薄膜，利用阿倫尼烏斯方程確定了顆粒生長在純納米板鈦礦TiO2薄膜的活化能。熱處理溫度對TiO2薄膜的納米板鈦礦粒度的影響。我們發(fā)現(xiàn)，顆粒的大小可以通過純納米板鈦礦薄膜熱處理溫度控制。</p><p><b>　　2實驗</b><

8、/p><p>　　2.1。對納米板鈦礦TiO2薄膜的制備</p><p>　　納米板鈦礦TiO2薄膜是準備使用溶膠-凝膠方法。溶膠是制備鈦酸丁酯（Ti（OC4H9）4）在乙醇中溶解，加水水解反應，隨后通過滴加乙酸（AcAc）。完整的步驟進行連續(xù)的實驗溶液攪拌下。</p><p>　　圖1.對不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的X射線衍射圖案：400，450，500，5

9、50°C.</p><p>　　溶膠前驅體溶液，含Ti（OC4H9）4：乙醇：水：采用0.2:2:0.1:0.2體積比丙酮。解決方案是磁力攪拌3 h，在25°C加入乙酸調(diào)節(jié)pH值為4，控制沉淀反應。</p><p>　　最后，溶膠沉積的康寧2947玻璃襯底上自旋涂層技術。自旋涂層在室溫下進行。整個涂裝過程中，紡絲速度1000轉為精確控制。</p><

10、p>　　涂層后，溶膠鍍膜玻璃基板被立即放入預熱好的烤箱。烤箱的溫度保持在400°C在整個加熱過程。熱處理一小時后，玻璃基板從烘箱中取出，并留下來冷卻室溫。</p><p>　　為了研究熱處理對TiO2薄膜的顆粒尺寸的影響，實驗是由溫度的升高逐步進行。每個溶膠鍍膜玻璃基板，微晶在400到550°C納米板鈦礦TiO2薄膜厚度范圍內(nèi)處理被測定為約80 nm。</p><p&

11、gt;<b>　　2.2.樣品表征</b></p><p>　　在玻璃基板上沉積的TiO2薄膜進行了X射線衍射儀（GBC-MMA, Cu-Ka，銅卡輻射）。一個原子力微范圍（島津掃描探針顯微鏡SPM-9500J3）一起用掃描電子顯微鏡（S-3100H，日立公司）使用并排探討TiO2沉積在玻璃基板的表面形貌。</p><p>　　TiO2薄膜的光譜反射率，也使用Perk

12、in–Elmer Lambda-900分光光度計，具有150毫米Labsphere積分球附件它透射模式收集。TiO2薄膜的紫外可見光譜分析–使用紫外可見分光光度計進行（安捷倫8453）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）沉積的TiO2薄膜記錄波數(shù)范圍從600 cm-1 到4000 cm-1的使用珀金埃爾默譜儀。所有的二氧化鈦薄膜的紅外光譜收集在傳輸模式。</p><p><b>　　3結果與討論</b

13、></p><p><b>　　3.1.XRD分析</b></p><p>　　納米板鈦礦TiO2薄膜的X射線衍射圖1所示。該模式揭示了熱處理溫度對二氧化鈦薄膜相變的影響。X射線衍射結果表明，TiO2薄膜，在加熱400°C和550°C之間，只有板鈦礦相。</p><p>　　熱處理可以提高TiO2薄膜的結晶。熱處理引起

14、的相變從非晶態(tài)向板鈦礦（斜方晶系）。當溫度增加到400°C，形成板鈦礦相。據(jù)JCPDFcard75號–1582 。板鈦礦出現(xiàn)峰值。由于該薄膜的結構，薄膜的板鈦礦相（211）表現(xiàn)為單峰。</p><p>　　TiO2薄膜的顆粒大小是使用Scherrer半經(jīng)驗公式與XRD的計算結果；</p><p>　　d = k.λ = b.cos (θ)

15、 (1)</p><p>　　其中k = 0.89是球形顆粒的形狀因子，λ是波長的入射光，θ（θ）是衍射角（RAD），B是全寬度半最大值（FWHM）高度相減后的設備擴大。一般來說，在衍射峰的半峰全寬對應材料的粒徑。當寬則寬，顆粒具有較小。XRD分析結果表明，2θ值不隨熱處理溫度的變化。</p><p>　　熱處理溫

16、度對粒徑的導向納米板鈦礦薄膜的影響。當鈦丁醇，乙醇，水和乙酸是固定的，通過熱處理溫度控制顆粒尺寸大小。</p><p>　　熱處理促進非晶態(tài)結構的結晶。結晶越大，熱處理溫度高。</p><p>　　熱處理溫度力的自由OH基團的納米板鈦礦薄膜表面凝結的增量。在這項研究中，提高結晶度和板鈦礦相的衍射峰強度。結果，隨著熱處理溫度的升高，顆粒尺寸增大。</p><p>　　

17、納米板鈦礦TiO2薄膜的顆粒生長活化能可以用阿倫尼烏斯方程計算?？梢员硎緸榛罨?lt;/p><p>　　E = -RT ln（d/a) (2)</p><p>　　其中一個是攔截，R為氣體常數(shù)，T是溫度（開爾文），D為平均粒徑。</p><p>

18、　　d = ae-E/RT (3)</p><p>　　lnd = -E/RT + ln a

19、 (4)</p><p>　　圖2顯示了一個塊的粒度與溫度的對數(shù)（1000 / T）?；诰€的斜率，粒子生長的納米板鈦礦TiO2薄膜可以描述為23.1千焦耳/摩爾。計算活化能純納米板鈦礦電影應該比體材料的板鈦礦型TiO2的活化能低的活化能。這是因為納米材料具有較高的比表面積，從而增加總的表面能，當其體積比散裝材料的體積比的比較。因此，需要更少的能量來產(chǎn)生純納米板鈦礦TiO2薄膜顆粒生長。</p>

20、;<p><b>　　3.2.SEM分析</b></p><p>　　圖2.納米板鈦礦TiO2薄膜的lnd 與1000 / T的關系</p><p>　　納米板鈦礦TiO2薄膜的SEM照片如圖3所示。它們揭示了不同熱處理溫度對薄膜的高度多孔的性質，這是在均勻的球形顆粒的觀察。我們還觀察到，隨著熱處理溫度的增加，顆粒尺寸的顆粒尺寸的增加而增加。</p

21、><p>　　3.3.原子力顯微鏡（AFM）分析</p><p>　　如圖3所示，SEM圖像納米板鈦礦TiO2薄膜的熱處理溫度不同：（a）450、（b）500、（c）550°C</p><p>　　圖4顯示了純納米板鈦礦TiO2薄膜在不同溫度下加熱的AFM圖像。我們觀察到的顆粒尺寸的增加而增加的熱處理溫度，這是由掃描電子顯微鏡和X射線衍射結果。我們比較了不同熱

22、處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的粗糙度。</p><p>　　被確定為2.22的納米板鈦礦TiO2薄膜的表面粗糙度均方根；2.65；3.11；5.60為400，450，500，和550°C熱處理溫度值。粗糙度隨熱處理溫度的升高而增大。它被發(fā)現(xiàn)，膜加熱在550°C具有粗糙的表面結構，因為它有最大粒徑，隨膜加熱在400°C具有平滑的表面結構，因為它有最小的粒子大小。隨著熱處理溫度的降低，

23、顆粒尺寸分布更加均勻。</p><p>　　圖4.對不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的AFM圖像：（a）450，（b）500，（c）550°C.</p><p>　　3.4.FTIR分析</p><p>　　對不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的紅外光譜如圖5所示。一種紅外光譜用于研究化合物中的官能團的存在。紅外光譜顯示羥基（OH伸縮頻率）的納米板鈦

24、礦TiO2薄膜3306和3670 cm-1之間。羥基含量降低后的膜被加熱在500°C紅外波段在約2927 cm-1顯示的C–H伸縮振動問題只有450°C紅外波段的納米板鈦礦TiO2薄膜之間1026和1062 cm-1顯示O –C–C波段的烷氧基的伸縮振動。紅外波段的納米板鈦礦TiO2薄膜在764和806 cm-1處顯示TiO2薄膜的Ti–O–Ti鍵。紅外光譜表明，隨著熱處理溫度的薄膜的羥基基團的量減少。</p&

25、gt;<p><b>　　3.5.光學性質</b></p><p>　　純納米板鈦礦TiO2薄膜的吸收光譜進行了使用紫外可見分光光度計分析，如圖6所示。紫外可見吸收光譜表明，吸收邊移到較短的波長與熱處理溫度降低。的量子尺寸效應發(fā)生在二氧化鈦顆粒，1和10納米之間的大小變化。紫外可見吸收光譜表明，由于量子尺寸效應，吸收邊移到較短的波長與顆粒尺寸減小。</p><

26、;p>　　薄膜的透射和反射的值進行了研究的波長范圍為300到1000納米，如圖8和7所示使用分光光度計。</p><p>　　圖5所示，對不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的紅外光譜：（a）450；（b）500；（c）550°C.</p><p>　　圖6，對不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的吸收光譜：400，450，500，550°C</p>

27、<p>　　圖7，對不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的透射譜：400，450，500，550°C.</p><p>　　圖8。對不同熱處理溫度納米板鈦礦TiO2薄膜的反射光譜：400，450，500，550°C.</p><p>　　我們測量的光學透射率和反射率在正常發(fā)病率。圖7中有2個區(qū)域，一個區(qū)域和一個穩(wěn)定的透射區(qū)。在納米板鈦礦TiO2薄膜的熱處理溫

28、度的增加，薄膜的透過率降低。</p><p>　　我們確定的納米板鈦礦薄膜的反射率隨熱處理溫度的升高，如圖8所示。</p><p>　　我們也觀察到，隨著粒徑的減小納米板鈦礦薄膜的透射率，而XRD結果表明，薄膜的反射率隨粒徑的增大。</p><p>　　該光學帶隙的TiO2薄膜，采用式（5），其中α是吸收系數(shù)的線性部分，高壓光子能量和是一個常量。</p>

29、<p><b>　　4結論</b></p><p>　　在這項研究中，我們報告和純納米板鈦礦二氧化鈦薄膜的結構的制備。它被發(fā)現(xiàn)的顆粒大小可以控制的熱處理溫度。結果表明，在熱處理溫度的增加導致的二氧化鈦薄膜的顆粒大小的增加，因為增加結晶。純納米板鈦礦TiO2薄膜的粗糙度隨顆粒粒徑的增加。這也表明了單一取向是純粹的納米板鈦礦TiO2薄膜（211）對不同熱處理溫度下的晶體。</

30、p><p>　　純粹的納米板鈦礦薄膜的透光率隨著粒徑的減小而增加，而隨著粒徑的減小的納米板鈦礦膜反射率值下降。</p><p>　　通過降低熱處理溫度從550到400°C，顆粒尺寸減小。納米板鈦礦TiO2薄膜在較短的波長區(qū)域具有吸收，從而增加了薄膜的帶隙值。作為一個結果，納米板鈦礦薄膜與體材料相比具有較大的表面積。</p><p>　　純板鈦礦相的活化能研究已

31、遠遠低于其他階段由于獲取純板鈦礦的困難。</p><p>　　納米板鈦礦TiO2薄膜與體材料相比具有較高的比表面積，這就是為什么散裝材料的活化能大于薄膜的活化能。其結果是，總表面能增加，并誘導粒子的生長需要更少的能量。納米板鈦礦TiO2薄膜的活化能是利用Arrhenius方程計算。我們發(fā)現(xiàn)純納米板鈦礦TiO2薄膜的活化能是約23.1千焦耳/摩爾。然而，有沒有發(fā)表的研究這個特定主題的文獻。因此，我們沒有能力比較我們