Das Prinzip superhydrophiler TiO2-Oberflächen
Normalerweise hat die mit TiO2 beschichtete Oberfläche einen breiten Kontaktwinkel mit Wasser, aber der Kontaktwinkel von Wasser wird nach UV-Bestrahlung auf weniger als 5 Grad reduziert und kann sogar 0 Grad erreichen (d. h. Wassertropfen werden vollständig auf dem Wasser verteilt Tio2-Oberfläche), die eine sehr starke Hydrophilie zeigt. Nach Beendigung der Lichteinwirkung bleibt die Superhydrophilie der Oberfläche einige Stunden bis zu einer Woche erhalten und kehrt dann vor der Bestrahlung langsam in den hydrophoben Zustand zurück. Eine weitere Bestrahlung mit ultraviolettem Licht kann superhydrophil werden, und eine intermittierende Bestrahlung mit ultraviolettem Licht kann dazu führen, dass die Oberfläche immer den superhydrophilen Zustand beibehält.
Ursprünglich wurde angenommen, dass die Superhydrophilie der TiO2-Oberfläche von der photokatalytischen Zersetzung von an der Oberfläche adsorbierten organischen Molekülen herrührt: Während die Oberfläche von TiO2 selbst aufgrund der Chemisorption von Wasser hydrophil ist, macht die Adsorption von organischem Material in der Luft die Oberfläche aus hydrophob. Bei Bestrahlung mit UV-Licht erzeugt die Oberfläche stark oxidierende aktive Hydroxylgruppen, und das hydrophobe organische Material wird durch die positiven Hydroxylgruppen durch die photokatalytische Zersetzungsreaktion oxidiert und zersetzt, wodurch sich die Oberfläche in einem hydrophilen Zustand verhält; Wenn das Licht gestoppt wird, wird das organische Material allmählich auf der TiO2-Oberfläche adsorbiert und kehrt in einen hydrophoben Zustand zurück. Dennoch hat sich gezeigt, dass sich die Superhydrophilie der TiO2-Oberfläche von der photokatalytischen Oxidation und Zersetzung von TiO2 unterscheidet, vielmehr handelt es sich um eine andere Art von Reaktion, die durch Licht auf der TiO2-Oberfläche selbst induziert wird. Aus folgenden Gründen: ① Die Superhydrophilie der TiO2-Oberfläche steht in keinem Zusammenhang mit der Photozersetzungseffizienz von organischem Material. Es wurde bei einigen TiO2-Einkristallen oder -Polykristallen ohne photokatalytische Aktivität oder mit sehr geringer photokatalytischer Aktivität beobachtet; ② Die Dotierung mit einigen Metallionen (z. B. Kupfer) kann die photokatalytische Oxidationsreaktion von TiO2 verbessern und gleichzeitig die superhydrophile Eigenschaft der TiO2-Oberfläche verringern; ③ Anders als die poröse TiO2-Oberfläche und die größtmögliche Reaktionsfläche, die für die photokatalytische Oxidationsreaktion erforderlich ist, fördert eine glatte und dichte Oberfläche ihre superhydrophile Eigenschaft. Unter normalen Bedingungen haben ölige Körper wie Ethylenglycolhexadecan und Glyceryltrioleat einen großen Kontaktwinkel mit der TiO2-Oberfläche. Nach UV-Bestrahlung werden diese Flüssigkeiten jedoch auch vollständig in die Glasbeschichtungsoberfläche infiltriert, dh nach UV-Bestrahlung TiO2-Oberfläche mit amphiphiler Wasser-Öl-Aktivität.
Es wird angenommen, dass die Superhydrophilie der TiO2-Oberfläche unter Lichtbedingungen durch ihre Änderungen in der Oberflächenstruktur verfestigt wird: Unter UV-Bestrahlungsbedingungen werden TiO2-Valenzbandelektronen zum Leitungsband angeregt, Elektronen und Löcher wandern zur TiO2-Oberfläche und erzeugen Elektronen -Lochpaare auf der Oberfläche, Elektronen reagieren mit Ti4+, Löcher reagieren mit Oberflächensauerstoffionen, die positive dreiwertige Titanionen bzw. Sauerstoffleerstellen bilden. In diesem Fall wird das Wasser in der Luft dissoziiert und in der Sauerstoffleerstelle adsorbiert, wodurch eine chemisorbierte Oberfläche (Oberflächenhydroxylgruppe) gebildet wird. Diese Chemisorptionsoberfläche kann ferner Wasser in der Luft adsorbieren und eine physikalische Adsorptionsschicht bilden, dh eine stark hydrophile Emblemzone wird um den Ti3+-Defekt herum gebildet, während der verbleibende Bereich der Oberfläche hydrophob bleibt und somit eine gleichmäßig in Zonen unterteilte Nanogröße bildet hydrophile und oleophile Emblemzone auf der TiO2-Oberfläche, ähnlich einem zweidimensionalen Kapillarphänomen. Da die Größe von Wasser- oder Öltröpfchen viel größer ist als der hydrophile oder oleophile Bereich, weist die makroskopische TiO2-Oberfläche hydrophile und oleophile Eigenschaften auf. Die Wasser- oder Öltröpfchen werden von der hydrophilen Mikroregion bzw. der lipophilen emblematischen Region adsorbiert und infiltrieren somit die Oberfläche. Wenn die Bestrahlung mit UV-Licht beendet wird, werden die chemisorbierten Hydroxylgruppen durch Luftsauerstoff ersetzt und kehren in den hydrophoben Zustand zurück.
