X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Композиты полианилина с неорганическими наполнителями из-за ряда полезных свойств нашли широкое применение в электронике и электротехнике. В частности, композиты полианилина (ПАНИ) с двуокисью титана используются для изготовления фотоэлектрических преобразователей, различного типа датчиков, пьезоэлектрических материалов [1,2].

Интерес к оксиду титана связан с его физико-химическими характеристиками, в частности, биологической совместимостью, смачиваемостью, сенсорными и оптическими свойствами [3].

Одним из способов синтеза пленок диоксида титана является золь-гель метод. Данный метод при получении тонких пленок имеет ряд преимуществ по сравнению с электрохимическим осаждением, магнетронным напылением или осаждением из газовой фазы. Метод не требует сложной аппаратуры, он позволяет наносить пленки на различные подложки: керамику, стекло, металлы. С его помощью могут быть получены высокогомогенные пленки с низкой дефектностью кристаллической структуры и широким диапозоном химического состава.

Синтез прекурсора для получения пленок TiO₂ золь-гель методом

В агатовой ступке растирают 1 г TiO₂ с 1,5 г NaOH. Полученную смесь порошков переносят в алундовый тигель и оставляют в муфельной печи на 1 час при температуре 650⁰С.

ТiO₂ + 2NaOH → Na₂ТiO₃ + H₂O (1)

В остуженный сплав TiO₂ и NaOH по каплям добавляют 40 мл НСl, разбавленной 1:1.

Na₂ТiO₃ + 6HCl → 2NaCl ↓ + TiCl₄ + 3 H₂O (2)

Полученный мутный белый раствор профильтровывают с помощью фильтра «Белая лента». В фильтрат также по каплям добавляют 30 мл концентрированного раствора NH₃, при этом выделяется белый газ NH₄Cl. В результате образуется ксерогель ТiO₂*Н₂О.

TiCl₄+ 3H₂O + 4NH₃ → 4NH₄Cl ↑ + ТiO₂*nН₂О(3)

Чтобы удостовериться, что реакция прошла до конца, полученный гидрат титана проверяют на присутствие хлорид-иона добавлением раствора нитрата серебра. Приготовленный гидрат титана отфильтровывают и фильтрат оставляют на сутки в эксикаторе при комнатной температуре. В 45 мл свежеприготовленного гидрата титана при постоянном перемешивании и охлаждении по каплям добавляют 2 мл 30% H₂O₂. С первых капель раствор становится прозрачным и желтеет. В раствор по каплям добавляют, продолжая мешать, 30 мл ледяной уксусной кислоты, после чего раствор из бледно-жёлтого становится золотисто-рыжего цвета, сохранив прозрачность.

TiO₂ + 2H₂O₂ → Н₄TiO₄ (4)

Н₄TiO₄ + 4СН₃СООН → (СН₃СОО)₄Ti + 4H₂O (5)

Раствор оставляют в холодильнике. После чего, полученный желтый раствор обезвоживают на ротационном испарителе (рис.1.) [6].

Рис. 1. Осадок, полученный на ротационном испарителе

Полученный желтый осадок исследуют с помощью ИК-Фурье спектроскопии (рис.2).

Рис. 2. ИК-спектр, полученного пероксо-комплекса

В ИК-спектре пероксо-комплекса титана появляются характерные пики для поглощения с максимумом при 1386 см^–1 можно отнести к мостиковым колебаниям δ(≡Ti –O(H) –Ti ≡). Симметричные и ассиметричные колебания δ(СОО) групп наблюдаются в пределах 1500 ‒ 1600 см^‒1 иотносятся к колебаниям пероксо-лигандов. Широкая полоса поглощения с тремя пиками в области то 2700−3300 см⁻¹ соответствует валентным v(OН) колебаниям [7].

Получение пленок диоксида титана золь-гель методом

Подготовка подложек

Предметные стекла и FTO-стекла очищают моющими средствами и промывают дистиллированной водой, после чего оставляют в ультразвуковой ванне в изопропиловом спирте на 30 минут при 40 ⁰С, по истечении времени подложки вынимают и оставляют сушить. Далее предметные стекла и FTO-стекла очищают, используя плазму низкого давления, способствующую активации поверхности и удалению остатков органических соединений.

Подготовка золя

В обезвоженный осадок пероксида титана массой 7,5 г. добавляют изопропилового спирта, образовается бледно-желтый раствор, который оставляют на сутки.

Нанесение на подложку

Перед нанесением золя на подложку раствор центрифугируют при 4000 об./мин в течение 5 минут. для отделения осадка диоксида титана.

Нанесение пленок производят методом полива и с использованием аэрографа, в качестве подложек использовуют предметные стекла и FTO-стекло.

После нанесения образцы обжигают на плитке при температуре 150⁰С в течение 10, 15 и 30 минут.

Наиболее удачными оказались образцы, где нанесение производилось на подложку с помощью аэрографа (рис.3). Пленка, полученная в таких условиях, визуально обладала наибольшей однородностью и устойчивостью. Образцы, полученные методом полива, не имели однородной структуры (рис.4).

А)Б)

Рис. 3. Образцы пленок диоксида титана, полученные с помощью аэрографа: А)-FTO-стекло;

Б). предметное стекло

В)Г)

Рис. 4. Образцы пленок диоксида титана, полученные методом полива: В) – предметное стекло

Г) FTO-стекло

ИК-Фурье спектроскопия, полученных образцов пленок

Рис. 17. ИК-спектры пленок диоксида титана: синяя кривая- пленка, полученная с использованием аэрографа; красная кривая-пленка, полученная методом полива

Рис. 18. ИК-спектр порошка диоксида титана

Как видно из рисунков, полученные спектры порошка и пленок диоксида титана имеют аналогичные пики, так широкий пик от 700 до 1500 см⁻¹ характеризует полосу поглощения, вызванную колебаниями [δ(Ti-O)] связи и мостиковыми колебаниями δ(Ti-O(H)-Ti). Широкая полоса поглощения в области от 3200−3700 см⁻¹ соответствует валентным δ(OН) [7].

Выводы:

- золь-гель метод является удобным для получения пленок диоксида титана, но особое внимание следует уделить обезвоживанию спирта для получения золя;

- получены образцы пленок диоксида титана, синтезированные на подложке FTO и на предметном стекле;

- наиболее однородную и плотную структуры имеют образцы пленок диоксида титана и композитного материала на основе FTO-TiO₂, нанесенные с помощью аэрографа.

Список литературы

Pedro G. R. Adv. Mater. 13, 163

Wu H. B., Huang F., Peng J. B., Gao Y. Org. Electron. 6, 118

Петухов Д. И., Колесник И. В., Елисеев А. А., Лукашин А. В., Третьяков Ю. Д. Синтез и исследование свойств пленок пористого ТiO₂, полученных анодным окислением -Альтернативная энергетика и экология, 2007, №1(45), с.65-67

Cerna M. Self-Cleaning Properties of Thin Printed Layers of Titanium Dioxide// Brno University of Technology Faculty of Chemistry. 2012. V. 12. P. 1−118.

Jeffrey B. C., George W. S. Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing// Library of Congress Cataloging-in-Publication Data. 1990. ISBN-13: 978-0-12-134970-7; ISBN-10: 0-12-134970-5. P. 1−907.

Медовникова Ю. Г. Маг.дисс. Разработка метода синтеза прекурсоров для получения наноструктурированных пленок TiO₂ золь-гель методом на проводящих подложках, 2016

Тарасевич Б. Н. ИК спектры основных классов органических соединений: справочные материалы. М: Университетская книга, 2012. 55 с.

Код для цитирования: Скопировать