[發明專利]垂直開孔三維連通的有序介孔二氧化鈦薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201010122932.5
• 申請日: 2010-03-08
• 公開（公告）號: CN101792178A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 馮祖德;王臣
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: C01G23/00
• 分類號: C01G23/00;C01G23/053;B82B3/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種無機材料，尤其是涉及一種垂直開孔三維連通的有序介孔二氧化鈦薄膜 及其制備方法。

背景技術

按照國際純粹和應用化學聯合會(IUPAC)的定義，多孔材料按照孔徑的大小可分為：微孔 (Microporous，孔徑＜2nm)，介孔(Mesoporous，孔徑2～50nm)和大孔(Macroporous，孔徑＞50nm) 材料。同傳統的微孔材料相比，有序介孔材料具有大而均一的孔徑分布、孔徑可調、孔道長 程有序和比表面積高等優點，是近期具有廣泛應用前景的一類新材料，在分離提純、生物材 料、化學合成及轉化的催化劑、半導體、光學器件、計算機、傳感器、藥物遞送、氣體和液 體吸附、光電磁學等許多領域有著潛在的用途，在化學工業、信息工程、生物技術、環保能 源等諸多領域具有重要的應用價值。自從1992年Mobil的科學家合成出M41S系列(MCM-41、 MCM-48和MCM-50)介孔材料以來，各國科學家對新型結構的介孔材料的合成進行了廣泛 的研究，相繼合成了具有不同結構的介孔薄膜材料。其中垂直開孔三維連通結構的介孔薄膜 材料，由于具有三維連通的網絡孔道結構，不僅提供了大的比表面積，而且具有垂直開孔的 孔道特性，在分離、傳感、催化等多方面具有良好的應用前景。

2005年日本科學家Y.Yamauchi等(Y.Yamauchi?et?al.，J.Mater.Chem.2005，15，1137)通 過利用12T強磁場的外力作用來制備具有垂直取向的介孔孔道薄膜材料，最后獲得偏離垂直 方向15°的介孔孔道。但該方法需要高強度的磁場環境，在實際生產中具有很大的困難，且成 本也較高。

有序介孔二氧化鈦薄膜材料具有比表面積高和光生電子效應等優點，可應用于染料敏化 太陽能電池、鋰離子二次電池和不銹鋼陰極保護等領域，是近年來研究的熱點之一。但是由 于有序介孔二氧化鈦薄膜的制備過程影響因素眾多，往往獲得的介孔二氧化鈦薄膜材料有序 度不高，或是不具備從表面垂直開孔三維連通的特性，這成為介孔二氧化鈦薄膜材料應用的 一個“瓶頸”，極大的限制了其應用范圍。

發明內容

本發明的目的在于針對現有的介孔二氧化鈦薄膜材料存在的局限，提供一種垂直開孔三 維連通的有序介孔二氧化鈦薄膜及其制備方法。

本發明所述垂直開孔三維連通的有序介孔二氧化鈦薄膜，具有有序的三維連通介孔結構， 六方排列的介孔孔道之間由晶型為銳鈦礦的納米晶粒組成孔壁，空間群為P6₃/mmc，孔徑為 6～10nm，比表面積為100～200m²/g，薄膜厚度為100～500nm。

所述垂直開孔三維連通的有序介孔二氧化鈦薄膜具有無裂、高度有序、垂直開孔、三維 連通、比表面積高等優點，且膜厚在一定范圍內可控。

本發明所述垂直開孔三維連通的有序介孔二氧化鈦薄膜的制備方法包括以下步驟：

1)將軟模板劑溶解到醇溶劑中得溶液A；

2)將鹽酸加入到鈦源中得溶液B；

3)將溶液A加入到溶液B中得淡黃色的透明溶膠；

4)在不同基底材料上用步驟3)得到的溶膠制備濕膜，凝膠后形成三維有序相結構，再 陳化，熱處理，得垂直開孔三維連通的有序介孔二氧化鈦薄膜。

在步驟1)中，所述軟模板劑可采用三嵌段共聚物，所述三嵌段共聚物可選用聚環氧乙 烷-聚環氧丙烷-聚環氧乙烷(EO₂₀-PO₇₀-EO₂₀)等；所述醇溶劑可采用乙醇、異丙醇或丁醇等。

在步驟2)中，所述鹽酸可采用質量百分比濃度為37％的濃鹽酸；所述鈦源可采用鈦酸 乙酯、異丙醇鈦和鈦酸正丁酯等中的一種或二種混合物。

在步驟1)和2)中，所述鈦源、軟模板劑、醇溶劑和鹽酸，按摩爾比，最好為1∶(0.005～ 0.02)∶(9～18)∶(1～3)。