[发明专利]一种双层三维仿生消反射复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种双层三维仿生消反射复合材料及其制备方法，属于材料学领域。本发明首先通过软压印技术，在玻璃的正反两面分别构筑三维金字塔结构的TiO₂，然后再原位生长聚吡咯(PPy)，形成具有人造蛾眼结构的p‑n异质结和仿生消反结构的(PPy/P‑TiO₂/G/P‑TiO₂/PPy)消反射复合材料，为光催化剂的结构设计提供了一种新的思路。本发明消反射复合材料能够高效催化有机染料的降解，具有优异的消反射性能和光催化活性，且制备方法简便，工业前景非常好。

技术领域

本发明涉及一种双层三维仿生消反射复合材料及其制备方法，属于材料学领域。

背景技术

锐钛矿型TiO₂由于具有较高的光催化活性、稳定性好、价廉无毒等特点，被各国科学家进行了广泛而又深入的研究，如光催化、染料敏化太阳能电池、锂离子电池、传感器、光电化学电池等领域。纳米TiO₂的带隙能约为3.2eV，禁带宽度较大，因而仅在200-400nm波长范围内对光有吸收，造成太阳能的利用率较低。为了解决这一瓶颈问题，已有研究工作通过各种手段改变TiO₂材料的表面或整体性质，如掺杂金属和(或)非金属原子，等离子共振(如Au，Ag等)，量子点敏化和窄带隙半导体复合等。用窄带隙半导体改性的TiO₂时会在它们的界面形成异质结，增强了它们的电子和空穴的分离性能和扩大光谱吸收范围。

在太阳能利用效率方面，除了解决锐钛矿型TiO₂禁带宽度问题，还需要关注入射光吸收效率问题。在光电材料或者器件的表面构筑消反射膜可以大幅度降低材料的界面反射，增加材料的光吸收效率。消反射膜主要分为单层膜法、多层膜膜法和微结构法。其中微结构法可以克服单层膜法和多层膜法的缺陷(如宽光谱范围内的减反射)而得到了广泛的应用。利用软压印技术在器件的表面构筑微结构(如ZnO纳米阵列，TiO₂纳米阵列等)增强光电器件对光的吸收，提高太阳能的转换效率，但由于其只在透明基底的一个表面构筑了一层2D光栅结构，使得器件对光的减反射效果十分有限，从而限制了太阳能转化效率的进一步提高。

发明内容

为了解决上述问题，提高太阳能转化效率，本发明首先通过软压印技术，在玻璃的正反两面分别构筑三维金字塔结构的TiO₂，然后再原位生长聚吡咯(PPy)，形成具有人造蛾眼结构的PPy/TiO₂双层三维仿生消反射复合材料。本发明双层三维仿生消反射复合材料的仿生蛾眼结构中发生折射的两种介质的比例发生渐变，会使表面的折射率从空气到基底实现一个逐渐递变的过程，实现优异的消反射，从而达到一个高吸光的效果。

本发明首先利用单晶硅在碱性溶液中发生各向异性刻蚀的特性，制备具有金字塔结构的硅模板；然后将PDMS预聚体浇筑在其表面，固化后得到与硅模板结构互补的PDMS模板；将PDMS模板压在滴有TiO₂溶胶的洁净玻璃表面，随着溶剂的慢慢挥发，溶胶中的钛酸四正丁酯预聚体之间进一步缩聚，最后形成无定型的TiO₂，同时由于PDMS模板的限域作用，使得TiO₂在玻璃的表面形成与PDMS模板互补的金字塔结构；然后将TiO₂煅烧使其转化成锐钛矿型TiO₂，提高TiO₂的光催化能力；最后在TiO₂金字塔表面复合一层导电高分子PPy，进一步提高材料的光谱吸收范围和光生载流子的分离效率，最终得到具有高光催化能力的双层三维仿生结构PPy/TiO₂复合材料(如图1所示)。

本发明的第一个目的是提供一种消反射复合材料，所述消反射复合材料具有双层三维仿生结构，包含金字塔结构的二氧化钛和金字塔表面的聚吡咯。

在本发明的一个实施方式中，所述消反射复合材料的制备方法包括：