Princippet om superhydrofile TiO2-overflader
Normalt har den TiO2-coatede overflade en bred kontaktvinkel med vand, men vandets kontaktvinkel reduceres til mindre end 5 grader efter UV-bestråling og kan endda nå 0 grader (dvs. vanddråber er fuldstændigt spredt på Tio2 overflade), der viser en meget kraftig hydrofilicitet. Efter ophør af lyseksponering opretholdes overfladens superhydrofilicitet i et par timer til en uge, og vender derefter langsomt tilbage til den hydrofobe tilstand før bestråling. Yderligere bestråling med ultraviolet lys kan være superhydrofil, og intermitterende ultraviolet lysbestråling kan få overfladen til altid at opretholde den superhydrofile tilstand.
Det menes oprindeligt, at TiO2-overfladens superhydrofilicitet stammer fra den fotokatalytiske nedbrydning af organiske molekyler adsorberet på overfladen: mens overfladen af TiO2 selv er hydrofil på grund af kemisorption af vand, gør adsorptionen af organisk stof i luften overfladen hydrofobisk. Når den bestråles med UV-lys, danner overfladen stærkt oxiderende aktive hydroxylgrupper, og det hydrofobe organiske stof oxideres og nedbrydes af de positive hydroxylgrupper gennem den fotokatalytiske nedbrydningsreaktion, hvilket får overfladen til at opføre sig i en hydrofil tilstand; når lyset stoppes, vil det organiske stof gradvist adsorberes på TiO2-overfladen og vende tilbage til en hydrofob tilstand. Ikke desto mindre er det blevet vist, at TiO2-overfladens superhydrofilicitet er forskellig fra den fotokatalytiske oxidation og nedbrydning af TiO2, snarere er det en anden form for reaktion induceret af lys på selve TiO2-overfladen. Af følgende grunde: ① TiO2-overfladens superhydrofilicitet er ikke relateret til fotonedbrydningseffektiviteten af organisk stof. Det er blevet observeret i nogle TiO2-enkeltkrystaller eller polykrystaller uden fotokatalytisk aktivitet eller meget lav fotokatalytisk aktivitet; ② Nogle metalioner (f.eks. kobber) doping kan forbedre den fotokatalytiske oxidationsreaktion af TiO2, mens den reducerer den superhydrofile egenskab af TiO2 overflade; ③ Forskellig fra den porøse TiO2-overflade og det størst mulige reaktionsområde, der kræves til fotokatalytisk oxidationsreaktion, er en glat og tæt overflade mere befordrende for dens superhydrofile egenskab. Under normale forhold har olieagtige legemer såsom ethylenglycolhexadecan og glyceryltrioleat en stor kontaktvinkel med TiO2-overfladen. Men efter UV-bestråling vil disse væsker også være fuldstændigt infiltreret i glasbelægningsoverfladen, det vil sige efter UV-bestråling TiO2-overflade med vand-olie amfifil aktivitet.
Det antages, at TiO2-overfladens superhydrofilicitet under lysforhold størkner af dets ændringer i overfladestrukturen: under UV-bestrålingsforhold exciteres TiO2-valensbåndelektroner til ledningsbåndet, elektroner og huller migrerer til TiO2-overfladen og genererer elektroner. -hulpar på overfladen, elektroner reagerer med Ti4 plus , huller reagerer med overfladeoxygenioner, som danner henholdsvis positive trivalente titaniumioner og iltvakanser. I dette tilfælde dissocieres og adsorberes vandet i luften i ilttomheden, hvorved der dannes en kemisorberet overflade (overfladehydroxylgruppe). Denne kemisorptionsoverflade kan yderligere adsorbere vand i luften og danne et fysisk adsorptionslag, dvs. der dannes en stærkt hydrofil emblemzone omkring Ti3 plus-defekten, hvorimod det resterende areal af overfladen forbliver hydrofobisk, og dermed udgør en ensartet zoneinddelt nano-størrelse adskilt hydrofil og oleofil emblemzone på TiO2-overfladen, svarende til et todimensionelt kapillærfænomen. Da størrelsen af vanddråber eller oliedråber er meget større end det hydrofile eller oleofile område, udviser den makroskopiske TiO2-overflade hydrofile og oleofile egenskaber. Vand- eller oliedråberne adsorberes af henholdsvis det hydrofile mikroområde eller det lipofile emblematiske område og infiltrerer således overfladen. Når UV-lysbestrålingen stoppes, erstattes de kemisorberede hydroxylgrupper med oxygen i luften og vender tilbage til den hydrofobe tilstand.
