Nguyên tắc bề mặt TiO2 siêu thấm nước
Thông thường, bề mặt phủ TiO2 có góc tiếp xúc với nước rộng, nhưng góc tiếp xúc của nước giảm xuống dưới 5 độ sau khi chiếu tia UV, thậm chí có thể đạt tới 0 độ (tức là các giọt nước bị khuếch tán hoàn toàn trên bề mặt phủ TiO2). bề mặt Tio2), thể hiện tính ưa nước rất mạnh. Sau khi ngừng tiếp xúc với ánh sáng, tính siêu thấm nước của bề mặt được duy trì trong vài giờ đến một tuần, sau đó từ từ trở lại trạng thái kỵ nước trước khi chiếu xạ. Chiếu xạ thêm bằng tia cực tím có thể siêu thấm nước, và chiếu xạ tia cực tím không liên tục có thể làm cho bề mặt luôn duy trì trạng thái siêu thấm nước.
Ban đầu người ta cho rằng tính siêu ưa nước của bề mặt TiO2 bắt nguồn từ sự phân hủy quang xúc tác của các phân tử hữu cơ được hấp phụ trên bề mặt: trong khi bản thân bề mặt của TiO2 lại ưa nước do sự hấp thụ hóa học của nước, thì sự hấp phụ của chất hữu cơ trong không khí làm cho bề mặt kị nước. Khi được chiếu xạ bởi tia UV, bề mặt tạo ra các nhóm hydroxyl hoạt động oxy hóa mạnh và các chất hữu cơ kỵ nước bị oxy hóa và phân hủy bởi các nhóm hydroxyl dương thông qua phản ứng phân hủy quang xúc tác, do đó làm cho bề mặt hoạt động ở trạng thái ưa nước; khi ngừng chiếu sáng các chất hữu cơ sẽ bị hấp phụ dần trên bề mặt TiO2 và trở về trạng thái kị nước. Tuy nhiên, người ta đã chứng minh rằng tính siêu ưa nước của bề mặt TiO2 khác với quá trình oxy hóa và phân hủy xúc tác quang của TiO2, đúng hơn, nó là một loại phản ứng khác gây ra bởi ánh sáng trên chính bề mặt TiO2. Vì những lý do sau: ① Tính siêu thấm nước của bề mặt TiO2 không liên quan đến hiệu suất phân hủy quang của chất hữu cơ. Người ta đã quan sát thấy ở một số đơn tinh thể hoặc đa tinh thể TiO2 không có hoạt tính quang xúc tác hoặc hoạt tính quang xúc tác rất thấp; ② Một số ion kim loại (ví dụ: đồng) pha tạp có thể cải thiện phản ứng oxy hóa quang xúc tác của TiO2, đồng thời làm giảm tính chất siêu thấm nước của bề mặt TiO2; ③ Khác với bề mặt TiO2 xốp và diện tích phản ứng lớn nhất có thể cần thiết cho phản ứng oxy hóa quang xúc tác, bề mặt nhẵn và đặc sẽ thuận lợi hơn cho đặc tính siêu thấm nước của nó. Ở điều kiện bình thường, các thể dầu như ethylene glycol hexadecane và glyceryl trioleate có góc tiếp xúc lớn với bề mặt TiO2. Tuy nhiên, sau khi chiếu tia UV, các chất lỏng này cũng sẽ được thấm hoàn toàn vào bề mặt lớp phủ thủy tinh, nghĩa là sau khi chiếu tia UV, bề mặt TiO2 có hoạt tính lưỡng tính dầu-nước.
Người ta tin rằng tính siêu ưa nước của bề mặt TiO2 trong điều kiện ánh sáng được củng cố bởi sự thay đổi cấu trúc bề mặt của nó: trong điều kiện chiếu tia UV, các điện tử của vùng hóa trị TiO2 bị kích thích lên vùng dẫn, các điện tử và lỗ trống di chuyển đến bề mặt TiO2, sinh ra điện tử. -các cặp lỗ trên bề mặt, các electron phản ứng với Ti4 cộng , các lỗ trống phản ứng với các ion oxy bề mặt, tạo thành các ion titan hóa trị ba dương và các chỗ trống oxy tương ứng. Trong trường hợp này, nước trong không khí bị phân ly và hấp phụ trong chỗ trống oxy, tạo thành một bề mặt hấp thụ hóa học (nhóm hydroxyl bề mặt). Bề mặt hấp thụ hóa học này có thể hấp phụ thêm nước trong không khí và tạo thành một lớp hấp phụ vật lý, nghĩa là vùng biểu tượng ưa nước cao được hình thành xung quanh khuyết tật cộng Ti3, trong khi diện tích còn lại của bề mặt vẫn kỵ nước, do đó tạo thành một kích thước nano được phân vùng đồng nhất vùng biểu tượng ưa nước và ưa dầu trên bề mặt TiO2, tương tự như hiện tượng mao dẫn hai chiều. Do kích thước của các giọt nước hoặc dầu lớn hơn nhiều so với vùng ưa nước hoặc ưa dầu, nên bề mặt TiO2 vĩ mô thể hiện các đặc tính ưa nước và ưa dầu. Các giọt nước hoặc dầu được hấp phụ tương ứng bởi vi vùng ưa nước hoặc vùng biểu tượng ưa mỡ, do đó thấm vào bề mặt. Khi ngừng chiếu tia UV, các nhóm hydroxyl hấp thụ hóa học được thay thế bằng oxy trong không khí và trở lại trạng thái kỵ nước.
