鄭華榮 王曉韡 林霞暉 耿 強(qiáng) 陳 旬 戴文新 王緒緒

(福州大學(xué)光催化研究所,福建省光催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福州350002)

聚乙二醇對TiO2薄膜光致親水性的促進(jìn)作用

鄭華榮 王曉韡 林霞暉 耿 強(qiáng) 陳 旬 戴文新*王緒緒

(福州大學(xué)光催化研究所,福建省光催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福州350002)

為了提高TiO2薄膜的光致親水性及其持久性,將聚乙二醇(PEG)2000引入TiO2溶膠中,利用提拉法在載玻片上制備出含PEG的TiO2薄膜樣品,通過測試樣品紫外光照下水滴接觸角的變化,考察不同濃度PEG對TiO2薄膜光致親水性能的影響;并通過測試光照后的親水薄膜樣片暗處放置不同時間后接觸角的變化,比較含PEG的TiO2薄膜和純TiO2薄膜樣品的親水持久性.結(jié)果表明:PEG作為一種非離子型長鏈分子,其適量的添加可促進(jìn)TiO2薄膜的光致親水性及其持久性.基于薄膜樣品的傅里葉變換紅外(FTIR)光譜和紫外-可見漫反射光譜(UV-Vis DRS)結(jié)果,認(rèn)為PEG作為空穴捕獲劑有助于TiO2薄膜中Ti3+的生成和穩(wěn)定存在,進(jìn)而有助于親水中心(表面羥基)的形成.此研究對于TiO2光自潔涂料的應(yīng)用很有意義,也為研究TiO2的光激發(fā)瞬態(tài)行為提供了一個可能的簡易方法.

光致親水性;親水持久性;空穴捕獲劑;TiO2薄膜;Ti3+物種; 聚乙二醇

1 引言

TiO2在光照下所表現(xiàn)出的超親水性能使其在功能材料制備領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用前景,1-6其涂覆在瓷磚、彩鋼板、鋁塑板、幕墻玻璃、石材和涂料等外墻建筑材料表面而賦予自清潔功能.7-9然而,表面完全親水的TiO2薄膜失去光照后,TiO2表面光照形成的親水中心(Ti-OH)會被空氣中的氧分子置換導(dǎo)致親水性能下降,10致使涂覆有TiO2薄膜的材料表面在長期無陽光的環(huán)境中光自潔性能逐漸降低.因此,維持涂覆有TiO2薄膜材料自清潔功能的長期穩(wěn)定性,不僅需要提高TiO2薄膜的光致親水性,更需要提高其表面在無光照時的親水持久性.對于TiO2薄膜的光致親水性,通常存在兩種解釋:一是認(rèn)為TiO2薄膜通過光催化氧化吸附在表面的有機(jī)污染物使其恢復(fù)親水性;11二是認(rèn)為TiO2薄膜在光激發(fā)下形成新的親水中心,即Ti4+捕獲光生電子變成Ti3+,同時一個表面結(jié)構(gòu)羥基(由點(diǎn)陣氧吸附水分子形成,與兩個Ti相配位)與此Ti3+相分離,而該結(jié)構(gòu)羥基捕獲光生空穴結(jié)合生成羥基自由基,最后Ti3+上的氧空位和羥基自由基空氣中的水分子共同作用在TiO2表面產(chǎn)生兩個羥基——光致親水中心.12其中,Ti4+接受光生電子形成Ti3+是光致親水中心生成的關(guān)鍵.按照這種光致親水中心的形成機(jī)制,若要提高TiO2薄膜的親水性能及其在無紫外光照下的親水持久性,一方面需保證有更多的Ti4+接受光生電子形成穩(wěn)定的Ti3+活性位;另一方面要盡量減少TiO2薄膜表面在紫外光照下形成的親水中心(表面羥基)被O2置換而失去.鑒此,我們曾將TiO2薄膜涂覆在鋁合金基底表面,通過鋁合金基底向TiO2薄膜轉(zhuǎn)移電子以復(fù)合光生空穴,進(jìn)而促進(jìn)Ti4+接受光生電子形成Ti3+來提高光致親水性.13也曾將鹵素離子引入至TiO2薄膜中,通過I-、Br-和Cl-的給電子作用(捕獲光生空穴)提高TiO2薄膜的光致親水性,14并利用鹵素離子與親水基團(tuán)(羥基)的氫鍵作用使得TiO2薄膜表面的羥基不易被O2置換,從而延長無紫外光照下表面親水的時間.盡管I-、Br-和Cl-作為電子給予體可以提高TiO2薄膜的光致親水性,但它們與表面羥基的氫鍵作用較弱難以顯著提高蓄水性能;F-離子雖有較強(qiáng)的蓄水性能(氫鍵作用強(qiáng)),但其強(qiáng)烈的吸電子作用使其易接受光生電子而降低TiO2薄膜的光致親水性.更為重要的是,由于鹵素離子是一種電解質(zhì),其過多的添加會破壞TiO2溶膠的雙電層結(jié)構(gòu)進(jìn)而導(dǎo)致溶膠的不穩(wěn)定,使得鹵素離子的促進(jìn)作用被大大限制.因此,若能在TiO2溶膠中引入一種非離子型的電子給予體就有可能通過增加添加量(依然確保溶膠穩(wěn)定)以提供更多電子捕獲光生空穴,進(jìn)而促進(jìn)TiO2在光激發(fā)下產(chǎn)生更多的Ti3+中心(甚至使Ti3+穩(wěn)定存在).另外,考慮到TiO2薄膜表面羥基的失去無法避免,若此電子給予體能夠提供額外的親水中心(羥基或其他極性基團(tuán)),就有可能進(jìn)一步提高TiO2薄膜在撤去紫外光照后的蓄水性能.聚乙二醇(PEG)作為一種穩(wěn)定性良好的水溶性非離子型表面活性劑(添加量較多也能維持TiO2溶膠的穩(wěn)定),一方面極性較強(qiáng)可作為電子給予體,另一方面可提供大量穩(wěn)定的羥基,我們分析其摻入TiO2薄膜中很有可能同時提高TiO2薄膜的光致親水性及在無光激發(fā)下的親水持久性.

為此,本文將PEG引入到TiO2溶膠中,利用提拉法在載玻片上制出含PEG的TiO2薄膜,通過測試樣片在紫外光照下水接觸角的變化,考察不同濃度PEG對TiO2薄膜光致親水性及其持久性的影響,并初步探討了其作用機(jī)制.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

2.1.1 制備TiO2溶膠

將1.1 mL濃硝酸(68%(w),上海化學(xué)試劑有限公司,簡稱上海試劑)加至150 mL去離子水中,強(qiáng)烈攪拌下滴加12.5 mL鈦酸四丁酯(分析純,上海試劑),繼續(xù)攪拌使之變成均勻透明的溶膠,溶膠經(jīng)半透膜滲析后調(diào)節(jié)至pH值為3.0左右,即得到穩(wěn)定的純TiO2溶膠.在上述溶膠中分別加入PEG2000 1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.0%(w)溶解后超聲均勻,制得含不同濃度PEG的TiO2溶膠.

2.1.2 制備TiO2薄膜

將帆船牌載玻片分別在10 mol·L-1稀硝酸、丙酮、無水乙醇(分析純,上海試劑)和去離子水中超聲清洗30 min,干燥后制得干凈的基底樣片.而后將樣片分別浸入上述純TiO2及含不同含量PEG(分析純,上海試劑)的TiO2溶膠中,以穩(wěn)定的速度(1 cm· min-1)從溶液中提拉出液面、晾干,如此重復(fù)提拉三次,而后在80°C下干燥1 h制得表面涂有TiO2薄膜的樣品.記為TiO2和TiO2-Px(x=1,2,4,6,8,10,分別代表TiO2溶膠中的PEG2000濃度,分別為1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.0%(w)).

2.2 結(jié)構(gòu)特性

溶膠的ζ電勢和膠粒大小用英國MALNERN公司的3000 HSAZatasizer測定,測定溫度為20°C.薄膜樣品的X射線衍射(XRD)晶型結(jié)構(gòu)用德國Bruker公司的Phlip X?Pert-MPD型X射線衍射儀測定,采用Cu靶(Kα,λ=0.1504 nm),石墨單色器,工作電壓35 kV,工作電流15 mA.紅外漫反射光譜在美國ThermoNicolet公司的NEXUS670紅外光譜儀上測定,以Au膜為參比,掃描范圍4000-400 cm-1.紫外漫反射光譜在澳大利亞Vairian公司產(chǎn)Cary 500型UV-Vis漫反射光譜儀進(jìn)行.

2.3 光致親水性

薄膜樣品的親水性采用水滴接觸角來評價,在德國Dataphsics的OCA-20接觸角測試儀上進(jìn)行.由于新鮮制備TiO2膜的初始接觸角一般為5°-15°,無法反映樣片的光致本征特性,為此將膜片先在干凈的空氣中暗處放置10天左右,待其接觸角增大至30°以上再進(jìn)行光照以比較光致親水性,光源365 nm紫外燈,強(qiáng)度為(0.5±0.1)mW·cm-2,實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室溫和室內(nèi)濕度.

3 結(jié)果與討論

3.1 TiO2溶膠特性

TiO2溶膠添加PEG后,應(yīng)盡量保證溶膠的穩(wěn)定性(主要是電化學(xué)性質(zhì)).而ζ電勢(溶劑化的膠粒與處于擴(kuò)散層中電荷之間的電位)和溶膠粒子大小是描述溶膠電化學(xué)性質(zhì)的兩個主要特征.

表1為不同含量PEG的TiO2溶膠樣品(TiO2-Px)的粒子尺寸與ζ電勢.表1顯示,TiO2溶膠中加入適量PEG并沒有引起其溶膠粒子尺寸的顯著變化,但當(dāng)PEG含量高于2.0%(w)時降低了TiO2溶膠的ζ電勢.M?pandou和Siffert15認(rèn)為,PEG是一種長鏈非離子表面活性劑,其加入所引起的TiO2溶膠ζ電位的降低不是因雙電層中的電荷變化所致,而是PEG分子進(jìn)入膠粒雙電層結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散層甚至緊密層,進(jìn)而引起雙電層中的滑移面向擴(kuò)散層移動導(dǎo)致ζ電位降低(見圖1).也就是說,PEG的加入有助于溶膠粒子的均勻分散而穩(wěn)定TiO2溶膠,即便PEG添加量高達(dá)10.0%(w)時溶膠依然穩(wěn)定(見表1).

表1 不同含量PEG的TiO2溶膠樣品(TiO2-Px)的粒子尺寸與ζ電勢Table 1 Particle sizes and ζ potentials of TiO2sols samples (TiO2-Px)containing different contents of PEG

3.2 TiO2薄膜晶相結(jié)構(gòu)

圖2為各種TiO2薄膜樣片的XRD譜圖.與純TiO2薄膜樣片相似,薄膜中添加PEG后并沒有明顯改變TiO2薄膜的晶相,都呈現(xiàn)出銳鈦礦的特征峰(25.28°、48.05°),但強(qiáng)度稍有減弱,特別是TiO2-P10樣品.值得注意的是,上述系列TiO2薄膜樣品都未進(jìn)行高溫處理,由此可見TiO2溶膠只要低溫干燥就擁有具有光催化活性的銳鈦礦晶相.這一點(diǎn)對于TiO2溶膠很有意義,簡便了其使用方法,從而拓寬了其應(yīng)用范圍,如可直接作為常規(guī)涂料涂覆在外墻表面使用.

3.3 光致親水性

圖1 PEG加入前后TiO2溶膠雙電層結(jié)構(gòu)示意圖15Fig.1 Sketch of double electric layers of TiO2sols added with or without PEG15(a)without PEG,(b)with PEG

圖2 不同TiO2薄膜樣品的X射線衍射(XRD)譜圖Fig.2 X-ray diffraction(XRD)patterns of different film samples(a)TiO2,(b)TiO2-P1,(c)TiO2-P2,(d)TiO2-P4,(e)TiO2-P6, (f)TiO2-P8,(g)TiO2-P10

圖3為不同含量PEG的薄膜樣品水滴接觸角隨光照時間的變化.圖中顯示,各種薄膜樣品表面的水滴接觸角都隨光照時間延長而下降,但下降程度不同.與純TiO2薄膜樣品相比,TiO2-P2樣品的水滴接觸角下降速度更快,也具有更低的最終接觸角,明顯表現(xiàn)出更優(yōu)的光致親水性;其他含PEG的薄膜樣品雖然初始階段接觸角隨光照時間下降較快,但要使接觸角低于30°則較純TiO2樣品需要更長的輻照時間.繼續(xù)光照40 min后,TiO2-P1、TiO2-P4和TiO2-P6樣品表面的水滴接觸角都比純TiO2樣品的低,但TiO2-P8和TiO2-P10樣品表面的水滴接觸角較純TiO2樣品高得多.進(jìn)一步將此不同樣品的最低光致接觸角與相應(yīng)所有TiO2溶膠中所含PEG量進(jìn)行對比作圖(見圖4),可以看出隨著TiO2溶膠中PEG含量的增加,所對應(yīng)薄膜樣品的表面接觸角逐漸下降,當(dāng)PEG含量增加到2.0%(w),樣品的接觸角最低;隨著PEG含量的繼續(xù)增加,樣品的接觸角逐漸增大,當(dāng)PEG含量大于6.0%(w)時,樣品表面水滴接觸角已高于純TiO2薄膜樣品.由此可見,適量的PEG存在可以提高TiO2薄膜光致親水性.然而,過多的PEG并不利于薄膜光致親水性能的提高,這可能是TiO2溶膠中PEG含量過高時,將會減少薄膜單位表面上的TiO2粒子數(shù),導(dǎo)致薄膜的親水性能下降.

圖3 不同TiO2薄膜樣品紫外光照時間下的水滴接觸角變化Fig.3 Water-droped contact angle as function of irradiation time over different film samples under UV light(a)TiO2,(b)TiO2-P1,(c)TiO2-P2,(d)TiO2-P4,(e)TiO2-P6, (f)TiO2-P8,(g)TiO2-P10

圖4 TiO2溶膠中PEG含量與相應(yīng)薄膜樣品光照40 min后水滴接觸角的關(guān)系Fig.4 Influence of the PEG content in TiO2sols on the water-droped contact angle over TiO2film samples under UV irradiation for 40 minwPEG/%:(a)0,(b)1.0,(c)2.0,(d)4.0,(e)6.0,(f)8.0,(g)10.0

3.4 親水持久性

為了比較添加PEG前后TiO2薄膜樣品表面的親水持久性,選擇上述光照后純TiO2和TiO2-P2樣品放在室內(nèi)環(huán)境中,分別比較兩者在無紫外光照下存放不同時間后表面接觸角的變化.圖5結(jié)果顯示,兩薄膜樣品的接觸角都隨著存放時間延長而增大,但TiO2-P2樣品表面接觸角恢復(fù)較慢,放置120 h后接觸角穩(wěn)定在20°以下,而純TiO2樣品表面接觸角在前8 h內(nèi)就迅速增大,120 h后接觸角穩(wěn)定增大到40°以上.可見,TiO2薄膜中添加PEG,不僅可以提高薄膜的光致親水性能,而且可提高其在無紫外光照下的親水持久性.

圖5 撤去紫外光照后TiO2和TiO2-P2樣品表面水滴接觸角隨放置時間的變化Fig.5 Water-droped contact angles of TiO2and TiO2-P2 samples as function of storage time under no UV irradiation

3.5 PEG在TiO2薄膜光致親水性形成過程中的作用探討

依據(jù)Ti4+接受光生電子形成Ti3+的過程是TiO2形成親水中心的關(guān)鍵步驟這一共識,12我們認(rèn)為PEG的加入也可能是通過促進(jìn)此步驟進(jìn)行而提高TiO2薄膜的親水性能.鑒此,若能看出PEG加入前后TiO2薄膜在紫外光照后表面Ti3+物種的不同,就有可能證明這一點(diǎn).那如何判斷光激發(fā)下PEG所引起的Ti3+物種差異？

研究認(rèn)為,紫外光照下TiO2中的Ti3+物種(相當(dāng)于氧空位)可作為價帶與導(dǎo)帶之間的中間過渡能帶捕獲光生電子,而后被捕獲的光生電子可連續(xù)不斷地躍遷到導(dǎo)帶,由此會導(dǎo)致TiO2在2200-1300 cm-1之間的非結(jié)構(gòu)特征IR瞬態(tài)吸收增強(qiáng).11,16-18為此,我們比較了TiO2-P2和TiO2樣品在紫外光照前后的FTIR譜圖.圖6結(jié)果顯示,純TiO2樣品紫外光照前后在2200-1300 cm-1之間譜圖幾乎沒有發(fā)生變化,而TiO2-P2樣品在紫外光照30 min后,在2200-1300 cm-1之間的吸收明顯增強(qiáng).這表明,純TiO2薄膜中產(chǎn)生的Ti3+物種只能在紫外光照下瞬態(tài)存在,而PEG的引入使得TiO2薄膜生成的Ti3+物種即便在撤去紫外光后也能保持穩(wěn)定.

另外,由于大量Ti3+物種的存在會因其吸收近紫外光而使TiO2薄膜呈現(xiàn)紫色,19-21為此進(jìn)一步比較了上述兩樣品的UV-Vis漫反射光譜.圖7結(jié)果顯示,純TiO2薄膜樣品光照前后的譜圖非常相似,都只在365 nm波長以下顯示出TiO2薄膜的明顯吸收,光照后并未帶來光吸收的明顯變化.對于加有PEG的TiO2-P2薄膜樣品,紫外光照30 min后在385 nm附近的近紫外區(qū)吸收顯著增強(qiáng).而且撤去紫外光照9 h后,此光吸收依然存在,但放置24 h后已基本消失.這表明純TiO2薄膜表面在紫外光激發(fā)下產(chǎn)生的Ti3+壽命很短、難以穩(wěn)定存在,但PEG的加入有利于Ti3+的形成與穩(wěn)定存在.

進(jìn)一步對比圖7中兩樣品的光吸收結(jié)果可看出,TiO2樣品在可見光區(qū)的反射率隨波長增長可呈現(xiàn)下降趨勢,顯示出明顯的可見光吸收;而TiO2-P2樣品在可見光區(qū)的反射率顯然要穩(wěn)定得多.這是因?yàn)榧僒iO2薄膜在干燥過程中由于TiO2粒子的聚集導(dǎo)致膜表面不夠均勻,從而發(fā)生膜的散射現(xiàn)象(膜外觀表現(xiàn)出明顯的彩色).而TiO2-P2樣品在干燥過程中,PEG能夠分散TiO2粒子使得薄膜均勻分布,顯示出良好的外觀一致性(外觀并未出現(xiàn)彩色).這表明PEG的引入能夠避免或減少TiO2在涂覆使用時對材料表面外觀的影響,這對于TiO2光自潔涂料在裝飾性建筑材料表面的應(yīng)用非常重要.

綜合上述兩薄膜樣品的FTIR和UV-Vis DRS結(jié)果,結(jié)合前面提到的TiO2光致親水性形成機(jī)制,我們提出紫外光照下PEG在TiO2薄膜形成親水中心過程中的作用機(jī)制:PEG結(jié)構(gòu)中的－OH基團(tuán)作為電子給予體復(fù)合TiO2的光生空穴,使得Ti4+易接受光生電子形成Ti3+,最后產(chǎn)生親水中心.由于PEG結(jié)構(gòu)中具有大量的－OH基團(tuán),可捕獲大量的光生空穴,導(dǎo)致更多的光生電子被Ti4+捕獲形成Ti3+,表現(xiàn)出外觀明顯的紫色.由于TiO2表面形成的Ti3+較多,部分Ti3+有可能被PEG的－OH基團(tuán)包圍,難以全部吸附H2O而生成Ti4+和表面羥基(親水中心),因而不會立即失去顏色.隨著無紫外光照下放置的時間延長,親水的表面羥基部分被O2取代,O2作為電子接受體可接受來自Ti3+表面的電子使得Ti3+失去電子變成Ti4+,同時部分Ti3+吸附空氣中的H2O形成表面羥基(親水中心)同時失去電子變?yōu)門i4+,兩者的共同作用導(dǎo)致Ti3+逐漸消失而失去紫色外觀.上述作用過程可描述如下:

圖6 TiO2和TiO2-P2樣品光照30 min前(a)后(b)的FTIR光譜Fig.6 FTIR spectra of TiO2and TiO2-P2 samples before(a)and after(b)UV irradiation for 30 min

圖7 TiO2和TiO2-P2樣品光照前后的紫外可見漫反射光譜Fig.7 UV-Vis diffuse reflectance spectra of TiO2and TiO2-P2 samples(a)before UV irradiation,(b)UV irradiation for 30 min,(c-k)removing UV light for 5 min,10 min, 20 min,35 min,1 h,2 h,4 h,6 h,9 h,respectively,(m)removing UV light for 24 h

(1)TiO2表面在紫外光照下產(chǎn)生光生電子與光生空穴

(2)PEG作為電子給予體捕獲光生空穴:

(3)Ti4+接受光生電子生成Ti3+物種:

(4)Ti3+和相鄰的Ti4+共吸附H2O形成表面羥基(親水中心),同時釋放電子:

(5)釋放出的電子與PEG捕獲的部分空穴復(fù)合:

上述過程中,由于PEG捕獲空穴能力極強(qiáng),在光照情況下第4步中釋放的電子數(shù)遠(yuǎn)小于第2步中PEG的捕獲空穴數(shù),也就是第4步中的Ti3+消耗數(shù)遠(yuǎn)小于第3步中的Ti3+生成數(shù),最終表現(xiàn)出Ti3+的穩(wěn)定存在.

在暗處放置后:

(1)吸附在Ti4+上的羥基被O2置換失去:

(2)依然穩(wěn)定存在的Ti3+吸附H2O補(bǔ)充形成羥基(親水中心)并逐漸消失:

(3)此釋放電子與PEG捕獲的空穴復(fù)合:

上述過程一直進(jìn)行,直至二氧化鈦光激發(fā)產(chǎn)生的Ti3+全部耗完(本實(shí)驗(yàn)中停止光照24 h后已耗盡).不過,由于PEG表面存在大量羥基,其或與Ti4+表面的羥基通過氫鍵作用減緩羥基被O2置換的過程.

值得注意的是,將圖4中TiO2-P2樣品在暗處放置后的親水性能與圖7中的UV-Vis DRS結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),盡管撤去紫外光照,但只要TiO2-P2表面還存在近紫外區(qū)的吸收,其依然有良好的親水性能.但當(dāng)樣品表面的近紫外區(qū)吸收失去時(24 h后),其親水性能也明顯下降.

上述含PEG的TiO2薄膜樣品的FTIR和UVVis DRS結(jié)果也表明,對于一般光催化作用中瞬間完成的光生電荷產(chǎn)生、遷移、捕獲和復(fù)合等具體過程,可通過在光催化過程中引入光生電子或空穴捕獲能力較強(qiáng)的物種延長中間物種的壽命,使得在穩(wěn)態(tài)下研究TiO2光激發(fā)下的瞬態(tài)行為成為可能.

需要說明的是,盡管在本實(shí)驗(yàn)中沒有考察TiO2對PEG本身的光催化氧化降解作用,但實(shí)驗(yàn)過程中PEG的作用并沒有下降,這可能是PEG作為一種長鏈聚合物(分子量2000),難以被氧化分解.

4 結(jié)論

PEG作為一種非離子型長鏈分子,將其引入到TiO2溶膠中不會破壞溶膠的雙電層結(jié)構(gòu)而保持溶膠的長期穩(wěn)定,由此制得的TiO2薄膜樣品較純TiO2薄膜樣品具有較好的光致親水性能及蓄水性能.比較純TiO2薄膜和含PEG的TiO2薄膜的FTIR和UVVis DRS譜圖結(jié)果發(fā)現(xiàn),加入PEG可以大大提高TiO2薄膜中Ti3+的生成穩(wěn)定性.正是大量穩(wěn)定的Ti3+生成促進(jìn)了TiO2薄膜的光致親水性及其持久性.

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March 21,2012;Revised:May 10,2012;Published on Web:May 11,2012.

Promoted Effect of Polyethylene Glycol on the Photo-Induced Hydrophilicity of TiO2Films

ZHENG Hua-Rong WANG Xiao-Wei LIN Xia-Hui GENG Qiang CHEN Xun DAI Wen-Xin*WANG Xu-Xu
(Fujian Provincial Key Laboratory of Photocatalysis——State Key Laboratory Breeding Base,Research Institute of Photocatalysis, Fuzhou University,Fuzhou 350002,P.R.China)

To investigate the photo-induced hydrophilicity of TiO2films and its durability,a series of TiO2films containing polyethylene glycol(PEG)2000 with different contents are prepared.The photo-induced hydrophilicity of the films is investigated by recording the water-droplet contact angle on the films?surface under UV irradiation,and the hydrophilicity durability is monitored under dark storage conditions.The photo-induced hydrophilicity of TiO2films and its hydrophilicity durability are enhanced by introducing 2.0% (w)of PEG into the TiO2sol.From Fourier transform infrared(FTIR)spectra and ultraviolet-visible diffuse reflection spectra(UV-Vis DRS),we infer that PEG acts as an electron donor to scavenge the photogenerated holes in TiO2and promotes the formation of Ti3+sites,which are induced by the Ti4+sites accepting the photo-generated electrons of TiO2.This promotes the formation of hydrophilic sites(the surface hydroxyl species).Compared with the pure TiO2film,the Ti3+sites in the TiO2/PEG films are more stable,which prolongs the hydrophilicity of TiO2films under dark conditions.This study is significant for the application of TiO2as a self-cleaning material,and is also a facile approach to investigate the transient behaviors of TiO2under UV irradiation.

Photo-induced hydrophilicity;Durability of hydrophilicity;Hole scavenger;TiO2film; Ti3+species; Polyethylene glycol

10.3866/PKU.WHXB201205112

O643

?Corresponding author.Email:daiwenxin@fzu.edu.cn;Tel:+86-591-83779083.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21073037)and National Key Basic Research Program of China

(973)(2010CB234604).

國家自然科學(xué)基金(21073037)和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(973)(2010CB234604)資助