[发明专利]一种三维SiO2超薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明专利涉及大孔无机材料薄膜及其制备方法和应用领域。 

背景技术

SiO₂由于其在结构和化学方面显著的稳定性而广泛地应用于催化剂载体，SiO₂超薄膜是一种十分有用的平台，研究人员能在其表明进行纳米粒子生长，表明化学反应和诱导性结构变化等一系列微处理，其中若通过表面固载TiO₂后可作为性能优良的光催化材料，广泛地用于食品、医疗等各个领域。 

制备SiO₂超薄膜的方法有多种，一种是直接将单晶硅暴露在氧气下，另外一种是在氧气气氛中沉积硅或者在金属基层氧化硅层，这些方法制备的超薄膜仅具有准二维结构，而且必须被固体基层所支撑。近年来，研究者在具有三维骨架结构的SiO₂大孔材料的制备方面进行了大量的研究，主要是以复杂的有机物(如凝胶、乳液)为模板，使SiO₂添充到其内部的空隙中形成复合结构，进一步通过焙烧除去有机物得到三维结构的SiO₂大孔材料，这些方法都称为模板法。但是已有的模板法没有解决材料大尺寸、高机械稳定性以及制备低成本等关键问题，因而在大批量制备与应用方面未能取得进展。一般意义上的超薄膜都是准二维平面结构，它们必须以固体材料为支撑，其表面积非常有限，那么其上面的功能材料所发挥的作用也非常有限。本专利所涉及的超薄膜是指二维的SiO₂超薄膜在三维空间的弯曲延伸，具有特殊的几何形状，超薄膜所包围的空间是完全连通的，成为一个整体。20-30nm厚度的超薄膜本身具有高的比表面积，功能化以后可以发挥强大的作用。薄壳结构的材料通常具有很好的力学强度，能抗击外力的冲击。大孔材料的机械稳定性往往非常差，无法满足实际应用，本专利通过薄壳结构的引入很好地解决了大孔材料机械稳定性差的问题。 

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种三维结构、厚度可控、孔隙可控、可作为载体平台的三维SiO₂超薄膜，三维SiO₂超薄膜生产工艺条件不苛刻，易于大规模生产。 

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种生产工艺条件温和、易于大规模生产的三维SiO₂超薄膜的制备方法。 

本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种三维SiO₂超薄膜的应用。 

本发明解决上述首要技术问题所采用的技术方案为：一种三维SiO₂超薄膜，其特征在于它采用三维骨架结构的聚合物整体型模板，然后将SiO₂的前驱物硅酸酯在模板的孔道内原位水解，通过适当的控制，使水解产生的SiO₂在聚合物表面沉积，形成三维连续的超薄膜，然后将聚合物/SiO₂复合物在高温下煅烧，除去聚合物，同时又使SiO₂烧结成型，最后剩下目标产物，使该三维SiO₂超薄膜的厚度为15～90纳米可控，孔隙率为50％～95％。 

本发明解决上述另一个技术问题所采用的技术方案为：一种三维SiO₂超薄膜的制备方法，其特征在于 

步骤1：三维骨架聚合物的制备，即质量比为1∶4～4∶1的环氧树脂和聚乙二醇混合并且加热到40～90℃，搅拌5～15分钟成透明溶液后，加入与环氧树脂质量比为1∶2～1∶10的多胺液体，搅拌均匀后倒入模具中定型，保持定型温度在40～90℃中1～10小时后形成白色的固状聚合物共混物，用纯水浸泡2～20小时后除去聚乙二醇相，留下三维骨架结构的环氧树脂，在室温下干燥1～5天； 

步骤2：三维SiO₂超薄膜的制备，即将步骤1中三维骨架结构的环氧树脂在正硅酸四乙酯中浸泡1～5小时，在氨水气氛中在30～60℃中暴露10～20小时后形成SiO₂/环氧树脂复合物，干燥1～5小时以除去生成的乙醇和吸附的氨水，在马弗炉中以5～10℃的升温速率升至600～900℃，保持10～60分钟即可得到三维SiO₂超薄膜。 

作为改进，所述的三维SiO₂超薄膜的厚度或者通过重复步骤2增加三维SiO₂超薄膜的厚度，或者通过环己胺稀释正硅酸四乙酯减少三维SiO₂超薄膜的厚度。