[发明专利]一种基于三元层级组装的硅-二氧化钛-聚苯胺复合材料及应用

权利要求书

1.一种基于三元层级组装的硅-二氧化钛-聚苯胺复合材料(Si/TiO₂/PANI)， 其特征在于：以Si、TiO₂和PANI有序层级组成，Si是P(100)型单晶硅；TiO₂是金红石相的TiO₂纳米棒，为N型半导体，四棱柱形状，高度为500～4000nm， 直径为40～250nm，有序垂直生长在单晶硅表面；PANI是聚苯胺纳米粒子，为 P型半导体，粒径为10～60nm，均匀生长在TiO₂纳米棒表面。Si/TiO₂/PANI层 级复合材料中的Si与TiO₂界面、TiO₂与PANI界面形成双P/N异质结，可以高 效分离光生电荷，同时具有仿生昆虫复眼结构，可以有效降低入射光在表面的 反射率。

2.一种制备如权利要求1所述一种基于三元层级组装的Si/TiO₂/PANI复合 材料，其特征是，包括以下步骤：

(1)首先对硅片进行亲水处理，在其表面生长TiO₂晶种，并置于马弗炉内 煅烧一段时间后自然冷却；

(2)然后将步骤(1)中所得到的表面附有TiO₂晶种的硅片置于反应釜中， 采用水热合成的方法在硅片表面诱导生长TiO₂纳米棒；

(3)最后在步骤(2)中得到的TiO₂纳米棒上沉积导电PANI纳米粒子，得 到三元层级组装的Si/TiO₂/PANI复合材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的亲水处 理操作为将硅片置于NH₃H₂O、H₂O₂和H₂O的混合溶液中，体积比为1:1:5，温 度为90℃，加热时间30min。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的生长TiO₂晶种条件为将亲水处理后的硅片浸于浓度为0.05～1mol/L的钛酸四丁酯的异丙 醇溶液中进行提拉或旋涂，提拉的速度是1～10mm/s，重复提拉5～30次，旋涂 的速度为500～7000转/分钟。最后将上述样品在450～500℃马弗炉中煅烧约 30～60min。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的水热合 成条件为80～200℃的温度下，在装有10～20mL去离子水、6～17mL浓盐酸(质 量分数37％)和0.5～5mL钛酸四丁酯的反应釜中处理2～19h，然后取出样品用 氮气吹干。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的在TiO₂纳米棒上沉积导电PANI纳米粒子，是指利用原位氧化法在TiO₂纳米棒上沉积 PANI导电高分子颗粒，反应条件为：配制100mL的0.2～0.5mol/L苯胺盐酸盐 溶液，并加入3～7g过硫酸铵和4gPVP(聚乙烯吡喏烷酮k-30)，混合均匀； 将面积为1.5cm×1.0cm的表面生长有TiO₂纳米棒的硅片置于反应液中，保持 室温下搅拌1～8h，得到Si/TiO₂/PANI复合材料。

7.如权利要求1所述Si/TiO₂/PANI复合材料用作光催化降解有机污染物的 应用，将1.5cm×1.0cm面积的Si/TiO₂/PANI层级复合材料放置于5mL的亚甲 基蓝溶液，浓度为1.0×10^-5mol/L，然后将其置于暗处1h让其达到吸附-解吸平 衡，之后用光源对溶液进行光照，对亚甲基蓝进行降解。同时，该种复合材料 并不局限于应用在光催化降解有机污染物，也适合于其他光催化领域，及光电 转化器件、太阳能电池等领域。