[发明专利]垂直开孔三维连通的有序介孔二氧化钛薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机材料，尤其是涉及一种垂直开孔三维连通的有序介孔二氧化钛薄膜 及其制备方法。

背景技术

按照国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义，多孔材料按照孔径的大小可分为：微孔 (Microporous，孔径＜2nm)，介孔(Mesoporous，孔径2～50nm)和大孔(Macroporous，孔径＞50nm) 材料。同传统的微孔材料相比，有序介孔材料具有大而均一的孔径分布、孔径可调、孔道长 程有序和比表面积高等优点，是近期具有广泛应用前景的一类新材料，在分离提纯、生物材 料、化学合成及转化的催化剂、半导体、光学器件、计算机、传感器、药物递送、气体和液 体吸附、光电磁学等许多领域有着潜在的用途，在化学工业、信息工程、生物技术、环保能 源等诸多领域具有重要的应用价值。自从1992年Mobil的科学家合成出M41S系列(MCM-41、 MCM-48和MCM-50)介孔材料以来，各国科学家对新型结构的介孔材料的合成进行了广泛 的研究，相继合成了具有不同结构的介孔薄膜材料。其中垂直开孔三维连通结构的介孔薄膜 材料，由于具有三维连通的网络孔道结构，不仅提供了大的比表面积，而且具有垂直开孔的 孔道特性，在分离、传感、催化等多方面具有良好的应用前景。

2005年日本科学家Y.Yamauchi等(Y.Yamauchi et al.，J.Mater.Chem.2005，15，1137)通 过利用12T强磁场的外力作用来制备具有垂直取向的介孔孔道薄膜材料，最后获得偏离垂直 方向15°的介孔孔道。但该方法需要高强度的磁场环境，在实际生产中具有很大的困难，且成 本也较高。

有序介孔二氧化钛薄膜材料具有比表面积高和光生电子效应等优点，可应用于染料敏化 太阳能电池、锂离子二次电池和不锈钢阴极保护等领域，是近年来研究的热点之一。但是由 于有序介孔二氧化钛薄膜的制备过程影响因素众多，往往获得的介孔二氧化钛薄膜材料有序 度不高，或是不具备从表面垂直开孔三维连通的特性，这成为介孔二氧化钛薄膜材料应用的 一个“瓶颈”，极大的限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的介孔二氧化钛薄膜材料存在的局限，提供一种垂直开孔三 维连通的有序介孔二氧化钛薄膜及其制备方法。

本发明所述垂直开孔三维连通的有序介孔二氧化钛薄膜，具有有序的三维连通介孔结构， 六方排列的介孔孔道之间由晶型为锐钛矿的纳米晶粒组成孔壁，空间群为P6₃/mmc，孔径为 6～10nm，比表面积为100～200m²/g，薄膜厚度为100～500nm。

所述垂直开孔三维连通的有序介孔二氧化钛薄膜具有无裂、高度有序、垂直开孔、三维 连通、比表面积高等优点，且膜厚在一定范围内可控。

本发明所述垂直开孔三维连通的有序介孔二氧化钛薄膜的制备方法包括以下步骤：

1)将软模板剂溶解到醇溶剂中得溶液A；

2)将盐酸加入到钛源中得溶液B；

3)将溶液A加入到溶液B中得淡黄色的透明溶胶；

4)在不同基底材料上用步骤3)得到的溶胶制备湿膜，凝胶后形成三维有序相结构，再 陈化，热处理，得垂直开孔三维连通的有序介孔二氧化钛薄膜。

在步骤1)中，所述软模板剂可采用三嵌段共聚物，所述三嵌段共聚物可选用聚环氧乙 烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(EO₂₀-PO₇₀-EO₂₀)等；所述醇溶剂可采用乙醇、异丙醇或丁醇等。

在步骤2)中，所述盐酸可采用质量百分比浓度为37％的浓盐酸；所述钛源可采用钛酸 乙酯、异丙醇钛和钛酸正丁酯等中的一种或二种混合物。

在步骤1)和2)中，所述钛源、软模板剂、醇溶剂和盐酸，按摩尔比，最好为1∶(0.005～ 0.02)∶(9～18)∶(1～3)。