[发明专利]一种二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法；属于有序孔结构材料和光子晶体材料技术领域。

背景技术

反蛋白石结构是一大类可望实现完全光子带隙的结构。这种结构只要所填充材料的折射率跟周边的介质（空气）的比值达到一定的数值时，其周期性对称的结构即可出现完全光子带隙，而且这种结构有序的大孔材料，具有密度小、比表面积大、可控改造性好的特点，在光子晶体、光电材料、催化剂载体、分子筛等领域应用非常广泛，它几乎涉及光子信息产业及新材料产业的各个领域。如利用光子晶体禁带的存在可以制出高效率低损耗反射镜、光子晶体微谐振腔、高效率发光二极管和低域值激光振荡器、宽带带阻滤波器和极窄带选滤波器、非线性光子晶体器件、光子晶体天线、光子晶体波导等。二氧化钛的折射率可以达到2.6，因此二氧化钛反蛋白石有序大孔材料是具有高性能的光子晶体材料。而制备中气孔有序度的下降以及二氧化钛材料中杂质的增多都会对材料的光学性能造成很大影响。

传统制备二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料均采用溶胶凝胶法，即先制备出二氧化钛溶胶，再将其填充至模板的空隙中。如《化学学报》2006年13(64)：1389-1392公开的一篇 “胶体模板法制备有序大孔TiO₂ 材料” 的文章中以单分散的聚甲基丙烯酸甲酯微球为胶体模板，采用钛酸丁酯、水、乙醇、盐酸等配成的混合溶胶填充在微球间间隙，经水解形成凝胶，然后通过煅烧除去模板，可得有序二氧化钛有序大孔材料。该方法的缺陷之一是提高空隙填充率的难度大，而且要反复多次浸入填充；其次由于这种方法在制备溶胶的过程中会引入大量的有机杂质，在煅烧处理时会引起材料结构的不均一，因此会导致材料的有序度下降。

另外，还有将二氧化钛纳米颗粒直接填入空隙的方法，参见《科学通报》2003年第13期公开的一篇“二氧化钛反蛋白石薄膜的制备及其在化学传感器中的应用”的文章，在PMMA蛋白石光子晶体模板的空隙里填充15nm二氧化钛纳米颗粒经500℃的处理除去PMMA膜板，制备出二氧化钛反蛋白石光子晶体膜。这种方法同样要反复填充多次，而且制备过程复杂。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的有序度低、材料中杂质多、制备过程复杂等问题，本发明的目的是提供一种有序度高、杂质含量少、制备方法简单的二氧化钛反蛋白石有序大孔材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法，包括步骤如下：

1）采用无皂乳液聚合法，以聚苯乙烯单体为原料制备PS微球；再将PS微球分散于浓度为30%的乙醇溶液中配制成PS微球分散液；

2）利用垂直沉积法在不同材料的基片上组装制得蛋白石结构的PS模板；

3）配制浓度为0.8mol/L～1.2mol/L的四氯化钛盐酸溶液，将步骤2）的PS模板垂直浸入其中并加热至70～90℃，在恒温状态下，在PS模板上缓慢填充水合氧化钛，3～5小时后取出；

4）将经步骤3）处理过的PS模板置于室温下干燥3个小时，再经高温处理30分钟后，得到所述二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料。

上述步骤1）的无皂乳液聚合法的具体步骤如下：A.）取100ml去离子水加入到250ml的烧瓶中，通入氮气30min，清除瓶中空气后，将该烧瓶放入恒温槽内，缓慢加温至60℃，保持恒温10min；B）向恒温状态下的烧瓶中加入苯乙烯5~12ml，再加温至70℃，保持恒温5min；C）向恒温70℃的苯乙烯溶液中分别注入含过二硫酸钾为0.2g的水溶液10ml和作为表面改性剂的                                                甲基丙烯酸1.2g，在氮气保护下充分反应24h后得到PS微球原分散液； D）将步骤C）制得的PS微球原分散液放入一离心管内，先经离心机进行离心洗涤20～30min，然后取出，再放入超声机内进行超声清洗30min； E）重复步骤D）2～3次，得到所述PS微球；取所述PS微球5～12ml配制所述的PS微球分散液待用。