[发明专利]有序介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有序介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料及其合成方法；具体为具有纳米晶二氧化钛墙壁的高氧化钛含量有序介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料及其的制备技术。

背景技术

TiO₂是一种非常重要的光催化剂、电极材料和载体材料。Durrant等人，首次用纳米晶的二氧化钛薄膜作为蛋白载体。Gratzel等人利用TiO₂纳米粒子作为染料敏化太阳能电池和铬电子器件材料，并将DNA吸附在由TiO₂纳米粒子形成的薄膜上。所以，介孔金属氧化物晶体材料在蛋白负载和提高氧化还原蛋白与电极之间直接电子传递需求迫切。主要问题是介孔材料在晶化过程中会导致结构坍塌。2004年，Li等人合成了介孔TiO₂-P₂O₅-SiO₂纳米复合材料，该复合材料不仅具有有序的二维立方介孔孔道，而且金属氧化物纳米晶嵌在无定型的墙壁中。最近，复旦大学赵东元课题组发现二氧化硅也可以用来控制二氧化钛的晶化从而得到有序的介孔TiO₂-SiO₂纳米复合材料。这些纳米复合材料是由二氧化钛纳米晶和多种玻璃态物质组成。但是，由于二氧化硅物种本身的不导电性限制了其在生物电化学中的应用。尽管碳组分也被引入介孔二氧化钛中，但是纳米晶二氧化钛的相对含量较低，环境温度、湿度对材料合成影响很大，难以普适。碳是导体材料，具有电导性。介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料具有大比表面积，高孔隙率，有序孔结构，及窄孔径分布，良好生物相容性等特点，使得其成为酶负载的优良载体。到目前为止还没有一种能可控合成介孔纳米晶二氧化钛/碳的复合材料的方法使其有望在光催化和生物传感器上具有广泛的应用前景。

我们在含甲阶酚醛树脂，混合钛源与表面活性剂的多组分体系中利用溶剂挥发诱导自组装，合成有序介孔纳米晶TiO₂/C复合材料。这种有序介孔纳米晶TiO₂/C复合材料具有高介观有序度，纳米晶TiO₂构成的晶体墙壁，大比表面积，均一的孔径分布。

发明内容

本发明的目的是公开一种有序介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料，这种介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料具有较高的二氧化钛含量。

本发明的另一目的是为了提供这种复合材料的合成方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

一种有序介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料，采用混合钛源，有机高分子和三嵌段共聚物通过溶剂挥发诱导自组装合成高氧化钛含量的介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料。该复合材料具有高结晶度纳米晶二氧化钛和无定型碳组成的介孔墙壁，二氧化钛含量可高达90％，同时可以通过调节有机高分子和混合钛源的量来调节二氧化钛和碳物种的含量。所得有序介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料具有二维介观结构，空间对称性为p6mm；比表面积为100-400m²/g，孔容为0.1-0.5cm³/g，孔径为2.3-5.0nm和较高的热稳定性。

用传统方法很难得到结构有序且结晶度高的介孔二氧化钛材料。这主要与钛的水解速率难以控制有关。用单一的钛源很难控制其水解，不是过快就是过慢，因此我们采用了混合钛源，两种钛源之间可以自调节控制水解。本发明中有机高分子的引入，一方面是引入碳功能组分，得到介孔二氧化钛/碳复合材料，另一方面有机高分子的具有玻璃态转变特征，在晶化处理复合材料时可以作为“胶水”物质将二氧化钛纳米晶固定住，从而得到具有高结晶度的纳米晶二氧化钛/碳的复合孔墙。

这种高含量二氧化钛的介孔纳米晶氧化钛/碳复合材料的合成方法，包括以下步骤：首先将非离子表面活性剂、混合钛源和高分子前驱体分别加入有机溶剂中，混合得到澄清溶液；待充分水解并在室温下将溶剂挥发完全；在100-120℃下低温热固12-36小时；在惰性气体保护下焙烧除去表面活性剂，再经过高温晶化处理，得到介孔纳米晶二氧化钛/碳复合材料。