毕业论文——热处理对纳米板钛矿二氧化钛薄膜的溶胶-凝胶法生产粒度的影响

热处理对纳米板钛矿二氧化钛薄膜的溶胶-凝胶法生产粒度的影响摘要：纯纳米板钛矿二氧化钛（TiO2）薄膜沉积在玻璃基板上，以钛酸丁酯和 乙酸为原料通过旋涂法对二氧化钛薄膜的颗粒尺寸的热处理温度进行控制。颗粒生长的活化能被计算为23.1 kJ / mol的结构和光学性质的纯纳米板钛矿TiO2薄膜，通过X射线衍射（XRD），原子力显微镜（AFM），扫描电子显微镜（SEM），紫外可见吸收光谱（UVVIS），傅立叶变换红外光谱（FTIR）表征。关键词：TiO2 粒子纳米板钛矿 温度 尺寸 溶胶-凝胶1. 简介TiO2（二氧化钛）是一个非常重要的过渡金属氧化物由于其使用在各种应用中，包括光电应用，光催化活性，太阳能电池，电致变色应用，氢储存和气体传感器。板钛矿相，是TiO2的三个阶段，是很难在其纯粹的形式产生。有几种方法已被用于制备板钛矿TiO2结构，包括水热法，溶胶-凝胶沉积，化学气相沉积（CVD），和脉冲激光沉积（PLD）。许多不同的TiO2结构是在板钛矿相，包括粉末，薄膜，纳米棒和纳米花。纳米TiO2的板钛矿相由TiCl4水解合成（四氯化钛），钛酸丁酯和丁醇在HCl和NaCl溶液。纳米二氧化钛的板钛矿相通常用于太阳能电池和光催化应用。粒径，可与溶胶凝胶涂层的工艺控制，是纳米技术的一个非常重要的参数。采用溶胶-凝胶法在不同制备条件下制备纳米二氧化钛，如热处理。热处理对纳米TiO2的粒径的影响进行了详细的研究。利用X射线衍射法测定了溶胶-凝胶沉积过程中的热处理温度，可以控制纳米二氧化钛的粒径。锐钛矿相纳米TiO2粒径粉末与温度之间的400和800°C已被发现在6.2至21.1纳米的范围内。粒子尺寸纳米晶TiO2薄膜产生温度350至550°C已经被发现12.4范围为20.3 nm，和温度之间的350和500°C产生锐钛矿相纳米TiO2颗粒在730 nm范围内。公布的结果表明，纳米TiO2的随热处理温度的增加，因为增加的结晶粒度。热处理可以提高非晶态化合物的结晶度。相的锐钛矿和板钛矿，可转变为金红石相他们火热的时候，是亚稳态，而金红石相是稳定的。板钛矿相难以产生纯。作为一个结果，纯板钛矿相的活化能已被确定是远低于的锐钛矿和金红石相的活化能。锐钛矿相TiO2薄膜沉积的活化能计算约77.9 kJmol。板钛矿金红石过渡的活化能已被计算为143.4 kJ / mol JohnsonMehlAvramiKolmogorov（JMAK）模型，为492.13 kJ / mol的JMAK模型。我们研究的目的是确定活化能的纯纳米板钛矿TiO2薄膜颗粒生长的价值。我们利用钛酸丁酯，乙醇和乙酸合成的纯板钛矿相纳米TiO2薄膜，利用阿伦尼乌斯方程确定了颗粒生长在纯纳米板钛矿TiO2薄膜的活化能。热处理温度对TiO2薄膜的纳米板钛矿粒度的影响。我们发现，颗粒的大小可以通过纯纳米板钛矿薄膜热处理温度控制。2实验2.1。对纳米板钛矿TiO2薄膜的制备纳米板钛矿TiO2薄膜是准备使用溶胶-凝胶方法。溶胶是制备钛酸丁酯（Ti（OC4H9）4）在乙醇中溶解，加水水解反应，随后通过滴加乙酸（AcAc）。完整的步骤进行连续的实验溶液搅拌下。图1.对不同热处理温度纳米板钛矿TiO2薄膜的X射线衍射图案：400，450，500，550°C.溶胶前驱体溶液，含Ti（OC4H9）4：乙醇：水：采用0.2:2:0.1:0.2体积比丙酮。解决方案是磁力搅拌3 h，在25°C加入乙酸调节pH值为4，控制沉淀反应。最后，溶胶沉积的康宁2947玻璃衬底上自旋涂层技术。自旋涂层在室温下进行。整个涂装过程中，纺丝速度1000转为精确控制。涂层后，溶胶镀膜玻璃基板被立即放入预热好的烤箱。烤箱的温度保持在400°C在整个加热过程。热处理一小时后，玻璃基板从烘箱中取出，并留下来冷却室温。为了研究热处理对TiO2薄膜的颗粒尺寸的影响，实验是由温度的升高逐步进行。每个溶胶镀膜玻璃基板，微晶在400到550°C纳米板钛矿TiO2薄膜厚度范围内处理被测定为约80 nm。2.2.样品表征在玻璃基板上沉积的TiO2薄膜进行了X射线衍射仪（GBC-MMA, Cu-Ka，铜卡辐射）。一个原子力微范围（岛津扫描探针显微镜SPM-9500J3）一起用扫描电子显微镜（S-3100H，日立公司）使用并排探讨TiO2沉积在玻璃基板的表面形貌。TiO2薄膜的光谱反射率，也使用PerkinElmer Lambda-900分光光度计，具有150毫米Labsphere积分球附件它透射模式收集。TiO2薄膜的紫外可见光谱分析使用紫外可见分光光度计进行（安捷伦8453）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）沉积的TiO2薄膜记录波数范围从600 cm-1 到4000 cm-1的使用珀金埃尔默谱仪。所有的二氧化钛薄膜的红外光谱收集在传输模式。3结果与讨论3.1.XRD分析纳米板钛矿TiO2薄膜的X射线衍射图1所示。该模式揭示了热处理温度对二氧化钛薄膜相变的影响。X射线衍射结果表明，TiO2薄膜，在加热400°C和550°C之间，只有板钛矿相。热处理可以提高TiO2薄膜的结晶。热处理引起的相变从非晶态向板钛矿（斜方晶系）。当温度增加到400°C，形成板钛矿相。据JCPDFcard75号1582 。板钛矿出现峰值。由于该薄膜的结构，薄膜的板钛矿相（211）表现为单峰。TiO2薄膜的颗粒大小是使用Scherrer半经验公式与XRD的计算结果；d = k. = b.cos () (1)其中k = 0.89是球形颗粒的形状因子，是波长的入射光，（）是衍射角（RAD），B是全宽度半最大值（FWHM）高度相减后的设备扩大。一般来说，在衍射峰的半峰全宽对应材料的粒径。当宽则宽，颗粒具有较小。XRD分析结果表明，2值不随热处理温度的变化。热处理温度对粒径的导向纳米板钛矿薄膜的影响。当钛丁醇，乙醇，水和乙酸是固定的，通过热处理温度控制颗粒尺寸大小。热处理促进非晶态结构的结晶。结晶越大，热处理温度高。热处理温度力的自由OH基团的纳米板钛矿薄膜表面凝结的增量。在这项研究中，提高结晶度和板钛矿相的衍射峰强度。结果，随着热处理温度的升高，颗粒尺寸增大。纳米板钛矿TiO2薄膜的颗粒生长活化能可以用阿伦尼乌斯方程计算。可以表示为活化能E = -RT ln（d/a) (2)其中一个是拦截，R为气体常数，T是温度（开尔文），D为平均粒径。d = ae-E/RT (3)lnd = -E/RT + ln a (4)图2显示了一个块的粒度与温度的对数（1000 / T）。基于线的斜率，粒子生长的纳米板钛矿TiO2薄膜可以描述为23.1千焦耳/摩尔。计算活化能纯纳米板钛矿电影应该比体材料的板钛矿型TiO2的活化能低的活化能。这是因为纳米材料具有较高的比表面积，从而增加总的表面能，当其体积比散装材料的体积比的比较。因此，需要更少的能量来产生纯纳米板钛矿TiO2薄膜颗粒生长。3.2.SEM分析图2.纳米板钛矿TiO2薄膜的lnd 与1000 / T的关系纳米板钛矿TiO2薄膜的SEM照片如图3所示。它们揭示了不同热处理温度对薄膜的高度多孔的性质，这是在均匀的球形颗粒的观察。我们还观察到，随着热处理温度的增加，颗粒尺寸的颗粒尺寸的增加而增加。3.3.原子力显微镜（AFM）分析如图3所示，SEM图像纳米板钛矿TiO2薄膜的热处理温度不同：（a）450、（b）500、（c）550°C图4显示了纯纳米板钛矿TiO2薄膜在不同温度下加热的AFM图像。我们观察到的颗粒尺寸的增加而增加的热处理温度，这是由扫描电子显微镜和X射线衍射结果。我们比较了不同热处理温度纳米板钛矿TiO2薄膜的粗糙度。被确定为2.22的纳米板钛矿TiO2薄膜的表面粗糙度均方根；2.65；3.11；5.60为400，450，500，和550°C热处理温度值。粗糙度随热处理温度的升高而增大。它被发现，膜加热在550°C具有粗糙的表面结构，因为它有最大粒径，随膜加热在400°C具有平滑的表面结构，因为它有最小的粒子大小。随着热处理温度的降低，颗粒尺寸分布更加均匀。图4.对不同热处理温度纳米板钛矿TiO2薄膜的AFM图像：（a）450，（b）500，（c）550°C.3.4.FTIR分析对不同热处理温度纳米板钛矿TiO2薄膜的红外光谱如图5所示。一种红外光谱用于研究化合物中的官能团的存在。红外光谱显示羟基（OH伸缩频率）的纳米板钛矿TiO2薄膜3306和3670 cm-1之间。羟基含量降低后的膜被加热在500°C红外波段在约2927 cm-1显示的CH伸缩振动问题只有450°C红外波段的纳米板钛矿TiO2薄膜之间1026和1062 cm-1显示O CC波段的烷氧基的伸缩振动。红外波段的纳米板钛矿TiO2薄膜在764和806 cm-1处显示TiO2薄膜的TiOTi键。红外光谱表明，随着热处理温度的薄膜的羟基基团的量减少。3.5.光学性质纯纳米板钛矿TiO2薄膜的吸收光谱进行了使用紫外可见分光光度计分析，如图6所示。紫外可见吸收光谱表明，吸收边移到较短的波长与热处理温度降低。的量子尺寸效应发生在二氧化钛颗粒，1和10纳米之间的大小变化。紫外可见吸收光谱表明，由于量子尺寸效应，吸收边移到较短的波长与颗粒尺寸减小。薄膜的透射和反射的值进行了研究的波长范围为300到1000纳米，如图8和7所示使用分光光度计。图5所示，对不同热处理温度纳米板钛矿TiO2薄膜的红外光谱：（a）450；（b）500；（c）550°C.图6，对不同热处理温度纳米板钛矿TiO2薄膜的吸收光谱：400，450，500，550°C图7，对不同热处理温度纳米板钛矿TiO2薄膜的透射谱：400，450，500，550°C.图8。对不同热处理温度纳米板钛矿TiO2薄膜的反射光谱：400，450，500，550°C.我们测量的光学透射率和反射率在正常发病率。图7中有2个区域，一个区域和一个稳定的透射区。在纳米板钛矿TiO2薄膜的热处理温度的增加，薄膜的透过率降低。我们确定的纳米板钛矿薄膜的反射率随热处理温度的升高，如图8所示。我们也观察到，随着粒径的减小纳米板钛矿薄膜的透射率，而XRD结果表明，薄膜的反射率随粒径的增大。该光学带隙的TiO2薄膜，采用式（5），其中是吸收系数的线性部分，高压光子能量和是一个常量。4结论在这项研究中，我们报告和纯纳米板钛矿二氧化钛薄膜的结构的制备。它被发现的颗粒大小可以控制的热处理温度。结果表明，在热处理温度的增加导致的二氧化钛薄膜的颗粒大小的增加，因为增加结晶。纯纳米板钛矿TiO2薄膜的粗糙度随颗粒粒径的增加。这也表明了单一取向是纯粹的纳米板钛矿TiO2薄膜（211）对不同热处理温度下的晶体。纯粹的纳米板钛矿薄膜的透光率随着粒径的减小而增加，而随着粒径的减小的纳米板钛矿膜反射率值下降。通过降低热处理