[发明专利]一种三维有序大孔二氧化钛材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属三维有序大孔材料的制备领域，特别是涉及三维有序大孔二氧化钛的制备技术。

背景技术

三维有序大孔材料具有孔结构排列周期性强、孔径分布窄、孔尺寸均匀可调及整体结构三维长程有序等一系列特点，可应用与催化剂载体、过滤及分离材料、电池和热阻材料等方面。

目前，三维有序大孔材料一般采用胶晶模版法制备，其主要步骤是：(1)制备单分散微球，并组装成胶晶模版；(2)在模版间隙内填充所需目标三维有序大孔材料的前驱物；(3)除去模版并得到三维有序大孔材料。此种制备方法的优点是设备简单、操作方便，得到的三维有序大孔材料有序度高。但是，也存在下列明显的不足：一是填充和除去模版过程中很容易造成大孔的收缩，最高的收缩可达到40％；二是不能制备足够厚度且有高度有序度的材料；三是制备时间长，有时候长达数月，阻碍了三维有序大孔材料的应用。

有的文献报道将单分散微球与前驱物纳米粒子充分混合后自然沉降，在单分散微球自组装的同时，前驱物纳米粒子开始在空隙内堆积。由此共沉积的方法制备的三维有序大孔材料，收缩率明显得到降低。但是，制备效率与制备的材料厚度仍然没有得到明显改善。

发明内容

本发明针对目前三维有序大孔材料制备效率低、材料厚度和机械强度不足以达到材料应用需要的问题，发明一种三维有序大孔二氧化钛的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明的一种三维有序大孔二氧化钛材料的制备方法，是以单分散聚苯乙烯微球为模版，将聚苯乙烯微球乳液-二氧化钛溶胶形成的二元混合组分，经蒸发自组装得到二元共沉积产品，该二元共沉积产品经高温焙烧脱除聚苯乙烯模版以后，得到三维有序大孔二氧化钛材料。

本发明的一种三维有序大孔二氧化钛材料的制备方法如下：

(1)在单分散(分散系数0.0030)的聚苯乙烯微球乳液中，加入二氧化钛溶胶，超声振荡混合，得到二元组分混合液；

(2)把上述得到的二元组分混合液置于玻璃器皿中，在温度40～80℃条件下，恒温蒸发4～8h，得到二元共沉积固体；

(3)将上述二元共沉积固体在450～550℃下，焙烧2～4h以后，缓慢冷却后得到三维有序大孔二氧化钛材料。

本发明所述的聚苯乙烯微球是用分散聚合法，或乳液聚合法，或无皂乳液聚合法制备的分散系数为0.0030，粒径在240～380nm之间的均匀微球。

本发明所述的二氧化钛溶胶是纳米二氧化钛粉体的稳定水分散液，二氧化钛平均粒径10～20nm，含量20～25wt％。

本发明所述的二元组分混合液的体积组成比为：聚苯乙烯乳液∶二氧化钛溶胶＝30∶3。其中，聚苯乙烯乳液的固含量为7.0％，溶剂是等体积的乙醇-水。

本发明的有益效果：选择二氧化钛纳米粒子作为前驱物填充胶晶模版的空隙，避免用钛醇盐，可以克服钛醇盐溶胶化过程中条件难以控制的弊病；采用恒温蒸发方法对聚苯乙烯乳液-二氧化钛溶胶进行高效组装，它是在重力、浮力和毛细管力共同作用下的强制组装，因而加快组装速度，组装时间缩短为几个小时；通过调节聚苯乙烯乳液-二氧化钛溶胶的浓度比，可以得到厚度达厘米级的三维有序大孔二氧化钛材料。

附图说明

图1是实施例2制备的三维有序大孔二氧化钛材料的扫描电镜照片。从照片中可以清晰的看出，该三维有序大孔二氧化钛材料呈三维有序规整排列，孔径分布均一约为235nm，与模版剂聚苯乙烯粒径相比，收缩率为6％，孔道与孔道之间通过小窗互相贯通。形成开放的三维有序网络结构。

图2是实施例2制备的三维有序大孔二氧化钛材料的孔结构分析结果。结果显示，该三维有序大孔二氧化钛材料具有介孔结构，其介孔孔径约为5nm，比表面积积为280m²/g。

图3是实施例3制备的三维有序大孔二氧化钛材料的XRD分析结果。分析结果显示该三维有序大孔二氧化钛材料具有锐钛矿相结构。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

实施例1：在30mL单分散(分散系数0.0030)的聚苯乙烯微球(粒径340nm)乳液中，加入3mL二氧化钛溶胶(粒径12nm)，超声振荡混合，得到二元组分混合液；把上述得到的二元组分混合液置于玻璃器皿中，在温度40℃条件下，恒温蒸发5h，得到二元共沉积固体；将上述二元共沉积固体在480℃，焙烧3h以后，缓慢冷却后得到三维有序大孔二氧化钛材料。