O Princípio das Superfícies Superhidrófilas de TiO2
Normalmente, a superfície revestida de TiO2 tem um amplo ângulo de contato com a água, mas o ângulo de contato da água é reduzido para menos de 5 graus após a irradiação UV e pode até atingir 0 graus (ou seja, as gotas de água são completamente difundidas na Superfície Tio2), mostrando uma hidrofilicidade muito poderosa. Após a cessação da exposição à luz, a superhidrofilicidade da superfície é mantida por algumas horas a uma semana e, em seguida, retorna lentamente ao estado hidrofóbico antes da irradiação. A irradiação adicional com luz ultravioleta pode ser superhidrofílica, e a irradiação intermitente de luz ultravioleta pode fazer com que a superfície sempre mantenha o estado superhidrofílico.
Pensa-se originalmente que a superhidrofilicidade da superfície do TiO2 se origina da decomposição fotocatalítica de moléculas orgânicas adsorvidas na superfície: enquanto a própria superfície do TiO2 é hidrofílica devido à quimissorção da água, a adsorção da matéria orgânica no ar torna a superfície hidrofóbico. Quando irradiada pela luz UV, a superfície gera fortes grupos hidroxila ativos oxidantes, e a matéria orgânica hidrofóbica é oxidada e decomposta pelos grupos hidroxila positivos através da reação de decomposição fotocatalítica, fazendo com que a superfície se comporte em um estado hidrofílico; quando a luz é interrompida, a matéria orgânica será gradativamente adsorvida na superfície do TiO2 e retornará a um estado hidrofóbico. No entanto, foi demonstrado que a superhidrofilicidade da superfície do TiO2 é diferente da oxidação fotocatalítica e decomposição do TiO2, mas é outro tipo de reação induzida pela luz na própria superfície do TiO2. Pelas seguintes razões: ① A superhidrofilicidade da superfície do TiO2 não está relacionada com a eficiência da fotodecomposição da matéria orgânica. Foi observado em alguns monocristais ou policristais de TiO2 sem atividade fotocatalítica ou com atividade fotocatalítica muito baixa; ② A dopagem de alguns íons metálicos (por exemplo, cobre) pode melhorar a reação de oxidação fotocatalítica do TiO2, enquanto reduz a propriedade superhidrófila da superfície do TiO2; ③ Diferente da superfície porosa do TiO2 e da maior área de reação possível necessária para a reação de oxidação fotocatalítica, uma superfície lisa e densa é mais propícia à sua propriedade superhidrófila. Em condições normais, corpos oleosos como etileno glicol hexadecano e trioleato de glicerila têm um grande ângulo de contato com a superfície do TiO2. No entanto, após a irradiação UV, esses líquidos também serão completamente infiltrados na superfície do revestimento de vidro, ou seja, após a irradiação UV, a superfície do TiO2 com atividade anfifílica água-óleo.
Acredita-se que a superhidrofilicidade da superfície do TiO2 sob condições de luz é solidificada por suas mudanças na estrutura da superfície: sob condições de irradiação UV, os elétrons da banda de valência do TiO2 são excitados para a banda de condução, elétrons e lacunas migram para a superfície do TiO2, gerando elétrons -pares de buracos na superfície, elétrons reagem com Ti4 plus, buracos reagem com íons de oxigênio de superfície, que formam íons de titânio trivalentes positivos e vacâncias de oxigênio, respectivamente. Nesse caso, a água do ar é dissociada e adsorvida na vacância de oxigênio, formando uma superfície quimissorvida (grupo hidroxila de superfície). Esta superfície de quimissorção pode adsorver ainda mais água no ar e formar uma camada de adsorção física, ou seja, uma zona de emblema altamente hidrofílica é formada em torno do defeito de Ti3 plus, enquanto a área restante da superfície permanece hidrofóbica, constituindo assim uma zona uniformemente dividida em tamanho nanométrico zona de emblema hidrofílica e oleofílica na superfície do TiO2, semelhante a um fenômeno capilar bidimensional. Como o tamanho das gotículas de água ou óleo é muito maior do que a área hidrofílica ou oleofílica, a superfície macroscópica do TiO2 exibe propriedades hidrofílicas e oleofílicas. As gotas de água ou óleo são adsorvidas pela microrregião hidrofílica ou pela região emblemática lipofílica respectivamente, infiltrando-se na superfície. Quando a irradiação de luz UV é interrompida, os grupos hidroxila quimisorvidos são substituídos por oxigênio no ar e retornam ao estado hidrofóbico.
