基本信息
- 项目名称：
- 聚多巴胺薄膜为模板制备二氧化钛纳米薄膜及其润湿性的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品以聚多巴胺薄膜，通过溶胶凝胶法制备TiO2薄膜，通过测试不同条件下水珠在TiO2薄膜表面的接触角，来研究其润湿性机理。
- 详细介绍：
- 通过溶胶凝胶的方法，我们在玻璃基底上制备了二氧化钛薄膜，此方法新颖简单。薄膜在紫外光照射和黑暗的空气中交替的放置，薄膜在疏水和亲水状态的可逆性转变良好，薄膜润湿性转变主要是因为空气中的氧和水份的作用。
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撰写目的和基本思路
- 目的： TiO2薄膜在光照下，其表面润湿性可以发生变化。目前制备TiO2薄膜的主要方法有阴极电沉积法、化学气相沉积法、离子溅射法等，但是这些制膜方法复杂，而且需要昂贵大型的仪器，所以我们要找出一种成膜技术简单，用小型的仪器设备就能完成的实验方法。 基本思路： 以聚多巴胺薄膜为模板，通过溶胶凝法制备TiO2薄膜
科学性、先进性及独特之处
- 我们的灵感来源于一种叫多巴胺的化合物，它可以自动氧化聚合形成聚多巴胺薄膜。聚多巴胺薄膜有良好的粘附性，几乎可以吸附在所有物质的表面，而且聚多巴胺薄膜在基底上的厚度可以通过多巴胺的浓度和其自聚合的时间控制。聚多巴胺薄膜表面结构平整。基于以上优点，聚多巴胺薄膜是一个十分好的模板材料。 本作品以聚多巴胺薄膜，通过溶胶凝胶法制备TiO2薄膜。
应用价值和现实意义
- 因为TiO2薄膜有亲水性，假如我们在汽车侧视镜、眼镜镜片等物品上表面镀一层TiO2薄膜，当有小水滴落在上面时，小水滴就会迅速扩散成均匀的水膜，从而不会对我们的视线造成影响。 TiO2薄膜有光催化活性，加上其亲水性的特性，可以使薄膜表面长期保持清洁状态。将TiO2薄膜运用在建筑材料上，利用太阳光做为光源，可以使建筑材料表面有净化空气、杀菌等功能。
学术论文摘要
- 在预先用聚多巴胺薄膜处理的玻璃基底上，用溶胶凝胶法制备TiO2薄膜。制备出的薄膜用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征手段来分析其物相组成和形貌特征。在不同实验条件下，用水接触角的测量值来研究TiO2薄膜润湿性转化的机理，结果表明：在紫外光的照射下，空气中的水是薄膜从疏水表面转化为亲水表面最重要的影响因素；在没有紫外光照射的条件下，空气中的氧气对薄膜从亲水状态恢复到疏水状态起着决定性的作用。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]Elias Stathatos, Panagiotis Lianos, Christos Tsakiroglou, Langmuir. 20 (2004) 9103-9107. [2]Gunar Kaune, Mine Memesa, Robert Meier, Matthias A. Ruderer, Alexander Diethert,Stephan V. Roth, Maria D’Acunzi, Jochen S. Gutmann, Peter Mu¨ller-Buschbaum, Applied Materials Interfaces. 1 (2009) 2862–2869. [3]E. Sotter, X. Vilanova, E. Llobet, A. Vasiliev, X. Correig, Sensors and Actuators B. 127 (2007) 567–579. [4]Masahiro Miyauchi, Akira Nakajima, Toshiya Watanabe, Kazuhito Hashimoto, Chem. Mater. 14 (2002) 2812-2816. [5]Misook Kang, Jong Ho Lee, Sang-Hyeun Lee, Chan-Hwa Chung, Ki June Yoon, Kenji Ogino, Seizo Miyata, Suk-Jin Choung, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 193 (2003) 273–283. [6]L.Sirghi, T. Aoki, Y. Hatanaka, Thin Solid Films 422 (2002) 55–61.
同类课题研究水平概述
- 润湿性是材料表面的重要特征之一，随着半导体薄膜材料在基础研究和工业运用上的不断发展，人们迫切的需要深入了解控制液体在薄膜表面亲水/疏水变化的机理，因此人工制备和控制薄膜表面润湿性已成为研究的热点。1997年,东京大学的Fujishima 研究组 发现了紫外光诱导下TiO2薄膜超亲水性的现象以来，人们相继发现WO3，ZnO2 ，SnO2等半导体薄膜在一些诱导因素下也能实现亲水/疏水转换，这些诱导因素有紫外光，PH，电场，X射线，温度等。 TiO2薄膜表面润湿性变化的机理如下，当紫外光照射TiO2薄膜时，就会产生光生电子（e-）和光生空穴（h+）。光生空穴与二氧化钛中的晶格氧离子反应形成表面氧空穴，光生电子和晶格钛离子反应生成Ti3+，从而使二氧化钛中晶格氧离子和晶格钛离子发生解离。水分子将会进入氧空穴中，从而在薄膜的最上面吸附游离水（羟基），这个过程使TiO2薄膜表面吸附更多的水分子，这种作用会使薄膜由原来的疏水状态变为亲水状态。但是薄膜表面吸附了羟基就会使薄膜表面变为亚稳态状态，当被照射的薄膜放在黑暗的空气中，薄膜表面吸附的羟基就会慢慢被空气中的氧所取代，所以薄膜表面从亲水状态变为疏水状态。国内外都认同这种机理，而且在我们的实验中也验证了这种机理。 自清洁现象可以发生在疏水和亲水物质的表面，但是它们自清洁的机理是不一样的。当水滴落在疏水物质的表面时，水珠的接触角会很大，那么水珠几乎可以在疏水物质的表面形成球状。水珠从疏水表面滚落时就很容易将灰尘之类的脏东西带走。自然界许多植物就是利用水珠从其表面滚落时把灰尘之类的脏东西带走 来保持自身干净。当污染物落在亲水物质如TiO2薄膜表面时，在太阳光下的照射下污染物会被光降解成水和二氧化碳，同时水珠会在亲水表面迅速扩散成一层水膜，从而来达到保持自身表面清洁的效果。TiO2薄膜除了有高效的光催化效果和光致亲水的性质外，还有无毒、价格低廉、化学性质稳定的优点，所以它被广泛运用在建筑材料、汽车侧视镜、眼镜镜片等材料和产品上。 目前制备TiO2 薄膜的主要方法有阴极电沉积法、化学气相沉积法、离子溅射法等，但是这些制膜方法复杂，而且需要昂贵大型的仪器，而溶胶-凝胶法有工艺简单、成本较低、低温合成等优点，所以是目前研究最多的制膜方法。
