[发明专利]一种具有三维贯通气孔特征的蜂窝结构TiO2

说明书

本发明提供一种具有三维贯通气孔特征的蜂窝结构TiO₂片层的合成方法。属于无机功能膜材料制备技术领域。以N，N二甲基甲酰胺(DMF)作为的承载液体，通过降低承载液体的温度至‑25℃，促使环境空气中的水汽凝结成冰珠并排列在DMF的表面，让钛酸四正丁酯的石油醚溶液在DMF表面铺展，溶质钛酸四正丁酯经历水解和缩聚反应在承载液的表面形成TiO₂片层，冰珠模板在干燥过程中蒸发后，即形成具有三维贯通气孔特征的蜂窝结构TiO₂片层，内部的通道由球形的气孔连接而成，球形气孔的尺寸分布主要涉及亚微米和微米两种级别的气孔。

技术领域

本发明涉及一种多孔结构TiO₂片层的合成方法，属于无机功能膜材料制备技术领域。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)是一种物理化学性质稳定，制备成本低，环境友好的半导体功能材料，在染料敏化太阳能电池、自清洁表面材料及光催化剂等方面的应用研究得到了极大的关注。TiO₂其功能发挥的理论基础是光诱导的电子-空穴对的分离及由此引起的一系列氧化还原反应。TiO₂作为功能半导体材料，其性能的发挥除了与其晶相类型、晶粒大小，结晶化程度等本质特性有关外，还与材料的微结构有着密切的关系，如多孔结构可提供更大的表面或界面，有利于增大入射光光子的捕获效率，增强对有机污染物质的吸附能力，同时气孔的通道有利于反应物和生成物的传输。由此，中空TiO₂微球常被用于染料敏化太阳能电池和光催化剂研究，中空的球形表面可通过对入射光进行多次反射而提高入射光的利用效率。

水滴模板法也称呼吸图法，一直以来主要用于规则排列气孔修饰的聚合物薄膜的制备研究。该方法采用高分子溶液在基底上铺展成膜，利用溶剂蒸发吸热而降低环境的温度，促使环境中的水汽分子凝结成水滴在溶液表面排列，随着溶剂的挥发，高分子溶液膜层固化，并在水滴的部位形成气孔。这种方法以水滴作为模板，不需要专门制备模板，工艺简单，制备成本低，而且可适于制备大面积的多孔薄膜。但是这种方法形成的气孔一般有一端是盲孔，这在一定程度上限制了这类薄膜的应用领域，如作为滤膜的使用。有报道利用尼龙网布作为基底，通过浸渍-提拉技术在基底的两面形成多孔聚合物膜层，从而可实现气孔双向贯通的目的。另外，利用堆积的单分散的聚苯乙烯(PS)微球作为模板，可获得三维蜂窝结构的TiO₂多孔体，这种方法需要预先制备微球模板，并需采用溶解或高温热分解的步骤来去除PS微球模板。

本发明提供一种具有三维贯通气孔特征的蜂窝结构TiO₂片层的合成方法，在低温条件下，促使空气中的水汽分子凝结成冰珠，该合成方法就是以堆积的冰珠为模板，合成具有三维贯通气孔特征的蜂窝结构TiO₂片层，该方法不需要合成专门的模板，而且不需要增加溶解、或煅烧等额外的模板去除步骤，产品在干燥过程中，模板即自行蒸发而脱除，工艺简单、绿色环保。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种具有三维贯通气孔特征的蜂窝结构TiO₂片层的合成方法。本发明实现这一目标的技术方案是：选择极性较小的石油醚为溶剂，配制钛酸四正丁酯(TBOT)的溶液作为前驱体；选择极性较大的N，N二甲基甲酰胺(DMF)作为冰珠的承载液体；采用冷冻机提供-25℃的低温条件，促使空气中的水汽凝结成冰珠并排列在DMF的表面。当前驱体溶液接触到冰珠层时，TBOT即发生水解和缩聚反应，反应致使前驱体溶液和冰珠层之间界面张力的下降，由此前驱体溶液可迅速在表面铺展，覆盖于整个液面，并进一步通过水解和缩聚反应，渗透到冰珠层的间隙中，形成TiO₂片层。通过洗涤和干燥过程，即可获得三维贯通气孔特征的蜂窝结构，再经过水热处理促使未反应的TBOT的水解和晶化过程。

一种具有三维贯通气孔特征的蜂窝结构TiO₂片层的合成方法包括以下步骤：