纳米TiO2超亲水薄膜是一种新型的功能性薄膜,具有成本低,无污染,无毒害和热稳定性高等优点。TiO2薄膜表面的特殊形貌不仅使其拥有较大的比表面积,还增加了薄膜表面的粗糙度有利于提高亲水性薄膜的表面亲水性能。TiO2薄膜表面的一维形貌,如纳米棒、纳米管等,不仅具有以上优势,还拥有载流子定向传输功能,使其在紫外光激发下表现出优异的超亲水性能,可广泛用于环境净化、太阳能转换以及生物材料等领域。本文以钛箔为钛源和基体,分别采用酸性水热法和碱性水热法制备了TiO2纳米棒薄膜和TiO2纳米管/棒薄膜,对其形貌、晶型结构、亲水性能和光电性能等进行了表征和测试,并分析了制备工艺条件对样品性能的影响,同时对其形成机理进行了探讨。具体研究内容如下:以0.6 mol/L HCl为水热介质,KCl为形貌控制剂,采用酸性水热法制备TiO2纳米棒薄膜。通过改变KCl浓度控制水热介质中Cl-的含量,进而调控薄膜表面纳米棒的长度及生长密度。研究发现,水热温度和水热时间对TiO2纳米棒的形成和生长有着较大的影响,提高水热温度或增加水热时间均有利于提高薄膜表面TiO2纳米棒生长密度和均匀性;但水热温度过高时,钛箔基体会被加速溶解、消耗,表面出现明显的裂纹,而水热时间过长易造成纳米棒间距缩短并导致粘连。热处理温度主要影响TiO2的含量和晶型结构,热处理温度越高TiO2的含量越高、结晶度越好,且易生成锐钛矿相和金红石相TiO2的混晶结构;但热处理温度达到500℃时,钛箔基底表面的纳米棒薄膜层出现脱落现象。研究结果表明:KCl浓度为0.1 mol/L,经180℃水热12 h,450℃热处理,可在钛箔基体表面获得排列有序、纳米棒长度较长、生长密度较高的锐钛矿/金红石混晶结构的TiO2纳米棒薄膜,样品在紫外光照下具有较好的超亲水性,光照10 min时接触角降为2.1°。当酸性水热介质中KCl浓度过大时,钛箔基体易受腐蚀导致水热后基体粉化,无法成膜,因此采用碱性水热法制备TiO2薄膜。以Na OH和KCl为水热介质和形貌控制剂,采用水热法合成管状Na2TiO3和K2Ti6O13钛酸盐中间体,经HCl溶液浸渍,通过离子置换获得钛酸类物质,再经热处理制得TiO2纳米管/棒薄膜。对样品进行表征和测试,结果表明:以0.25 mol/L Na OH为水热介质中,当KCl浓度为0.15 mol/L,经220℃水热20 h,1 mol/L HCl浸渍时,钛箔表面可以形成均匀的TiO2纳米管/棒薄膜。接触角测试显示,TiO2纳米管/棒薄膜具有优异的超亲水性能和极快的液滴铺展速度。无紫外光照时,经450℃热处理的样品在37.5 ms时接触角减小至0°;当紫外光照射10 min后,接触角达到0°仅需25 ms。对TiO2纳米棒/管薄膜形成机理分析可知:在酸性水热介质中,KCl和HCl的协同作用促使TiO2纳米棒沿金红石相TiO2[001]晶向生长,形成均匀性好、生长密度高的TiO2纳米棒薄膜;而在碱性水热介质中,具有片状形貌的Na2TiO3中间体的Na+被离子半径更大的K+取代,导致纳米片发生了膨胀卷曲形成了纳米管或纳米棒薄膜。