[发明专利]双壳层非对称半导体材料及其超组装方法

说明书

本发明提供了一种双壳层非对称半导体材料及其超组装方法，该方法包括：步骤一，将模板剂溶解在水中，形成均一的微乳液体系，再加入碳源充分混合搅拌，再将得到的混合溶液置于反应釜中，在140℃‑160℃的烘箱中反应8h‑24h，得到非对称的瓶状开口碳聚合物框架(VPFs)；步骤二，以VPFs为模板，在其外表面和内表面生长均匀的非晶TiO₂层，得到三明治夹层结构的中间体；步骤三，对中间体进行煅烧处理，从而去除瓶状开口碳聚合物框架，得到双壳层非对称半导体材料，其中步骤二包括：将VPFs分散于乙醇中，再加入氨水和钛酸四丁酯，再将上述混合物置于25℃‑80℃油浴锅中反应12h‑30h，得到中间体。

技术领域

本发明属于材料和人工微纳马达领域，具体涉及一种双壳层非对称半导体材料及其超组装方法。

背景技术

TiO₂是目前研究最广泛的半导体氧化物之一，作为一种典型的n型半导体材料，TiO₂因其无毒、稳定性好、成本低、表面积大、孔体积大、光电性能优良等优点而成为备受瞩目的光催化剂。其在催化降解、杀菌消毒、光解水产氢等许多能源和环境领域都有着极为广泛的应用。TiO₂的光催化性能在很大程度上取决于催化剂的形貌。迄今为止，纳米TiO₂材料的制备已经取得了很大的进展。在各类形貌中，多壳层中空结构的TiO₂半导体材料越来越受到人们的重视，主要原因在于这独特的多壳层结构有利于光的反复折射及散射，可大大提高光的利用率，从而加速催化剂表面活性中心的催化反应。例如，Li和同事报告，空心TiO₂球的光催化活性远高于实心TiO₂球。王丹等人报道了多壳层可控空心TiO₂球的制备，并且随着TiO₂层数的增加，其光散射效应也逐渐递增。

近年来，TiO₂在微纳马达领域也开始崭露头角，这些基于TiO₂的微纳马达能够将光能、化学能等转化为机械能，在环境修复、传感、主动货物运输、能量储存和转换等领域极具应用前景。例如，Jiang等人研究了由不对称镀金的实心TiO₂微球组成的Janus TiO₂/Au微马达的运动性能，其在3wt％H₂O₂中的速度高达为30μm/s。官建国课题组报道了锐钛型TiO₂-PtJanus实心微球马达在紫外光下纯水中运动速度高达29μm/s。

综上，目前所报道的多壳层TiO₂材料大多呈对称球形，由于溶液中的反应物不能有效地进入封闭球体的内层，其光催化性能受到很大限制。而非对称材料，尤其是非对称多壳层结构，由于其内外壳层均能与反应溶液接触，可克服多壳层TiO₂纳米催化剂的局限性，正受到越来越多的关注。虽然在制备多壳层或不对称TiO₂材料方面取得了很大的进展，但对于同时具有不对称和多层结构的介孔TiO₂材料的工程化一直是一个巨大的挑战。这可以归结为三个主要原因。(a)TiO₂前驱体的水解和缩合速率过快，不易控制；(b)结晶过程中多层结构容易坍塌和聚集，多层结构不易保持；(c)TiO₂前驱体在水解和缩合过程中易发生均匀成核，难以实现不对称组装。因此，目前基于TiO₂制备的微纳马达大多都是在TiO₂对称微球的基础上，局部沉积贵金属等活性材料，构建不对称结构的光驱动微纳马达。此外，目前研究光驱动微纳马达的运动环境主要集中在H₂O和H₂O₂，且光源大多都依赖于紫外光。由于H₂O₂和紫外光具有生物毒性,很大程度的限制了马达的应用范围。H₂O是理想的燃料,然而光驱动微纳马达以纯水为燃料的速度仍有待提升。基于此现状，提高马达在纯水中能量利用效率成为光驱动微纳马达的重大挑战。

发明内容