[發明專利]一種在Ti基底上固定的單層、單分散的TiO2中空微球陣列

有效

• 申請號: 201310521982.4
• 申請日: 2013-10-29
• 公開（公告）號: CN103623798A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 萬國江;李乘波;黃楠;韓斐;雷慧麗;趙元聰;游天雪
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;C01B3/04
• 代理公司: 成都博通專利事務所 51208
• 代理人: 陳樹明

技術領域

本發明屬于半導體光催化材料制備的技術領域，特別涉及一種在Ti基底上固定的單層、單分散的TiO₂中空微球陣列。

背景技術

TiO₂中空微球是一種新型功能材料，這種特殊結構的納米材料，由于其內部具有空腔而表現出低密度、高比表面積、催化活性高等特點，越來越受到人們的關注，廣泛應用于光催化分解水制氫領域。現有的TiO₂中空微球通過TiO₂沉積在懸浮于溶液中的分散的聚苯乙烯微球上，再燒結去除聚苯乙烯微球后制得粉末狀的TiO₂中空微球。粉末狀的TiO₂中空微球，在實際應用中卻存在很多難以解決的問題，比如用于光催化分解水制氫時中空微球在溶液中的無序聚集，形成團聚、不易分離，這就使得其比表面積下降，光催化分解水制氫效率低；同時懸浮于溶液的中空微球還存在回收困難等問題。并且粉末狀的TiO₂中空微球，不易制成固體的光催化電極材料，也限制了其應用。

發明內容

本發明的目的是提出一種在Ti基底上固定的單層、單分散的TiO₂中空微球陣列，該種TiO₂中空微球陣列為有序固定在Ti基底上的單層的、單分散的陣列結構。用于光催化分解水制氫時，其TiO₂中空微球在溶液中，不團聚、比表面積高，光催化分解水制氫效率高，便于回收、重復利用。并且可直接制成固體的光催化電極材料，擴展了其應用范圍。其殼層厚度可以通過調節液相沉積時間來有效控制；制備的工藝簡單，條件溫和，適合工業化大規模生產。

本發明實現其發明目所采用的技術方案是，一種在Ti基底上固定的單層、單分散的TiO2中空微球陣列，由以下方法制得：

A、將Ti片作為放入潔凈的玻璃培養皿中央，從培養皿的邊緣向培養皿中緩慢注入蒸餾水，使蒸餾水漫至Ti片邊緣且其高度與Ti片邊緣齊平，而Ti片的中心保持干燥；

B、將聚苯乙烯膠體溶液緩慢滴向襯片中心，直到膠體溶液剛好擴散至Ti片邊緣與單蒸水接觸時止；隨后膠體溶液向水中緩慢擴散，擴散完畢后在水液面的局部或全部形成一層單層膠體膜；然后將Ti片取出；

C、向水中滴入質量濃度為2%的十二烷基磺酸鈉溶液，十二烷基磺酸鈉溶液的滴入量為B步的聚苯乙烯膠體溶液滴入量的0.5—2倍，以增大液面的張力，使漂浮在液面的聚苯乙烯膠體粒子在表面張力的作用下迅速組裝成密排的晶體薄膜；

D、用Ti基底打撈液面的密排薄膜，干燥后即在Ti基底表面固定上單層的排布整齊均一的聚苯乙烯微球，得到聚苯乙烯微球模板；

E、配制0.1mol/L的(NH₄)₂TiF₆溶液和0.3mol/L的H₃BO₃溶液，將兩者按體積比1:1的比例均勻混合，配制成混合液；再用HF調節混合液的PH值至2.8。

F、將D步得到的聚苯乙烯微球模板浸入E步得到的混合液，并在50℃的恒溫水浴鍋中反應10-15h，TiO₂即沉積在聚苯乙烯微球上得到聚苯乙烯/TiO₂復合微球；

G、將F步的固定有聚苯乙烯/TiO₂復合微球的Ti基底放入馬弗爐中，高溫煅燒至450℃并保溫1h，去除聚苯乙烯微球，即得到Ti基底上固定的單層、單分散的TiO₂中空微球陣列。

本發明的機理是：

通過Ti片上的聚苯乙烯膠體溶液向Ti片邊緣的水擴散，在水的表面張力作用下，在水液面的局部或全部形成一層，多于一層單層膠體膜的膠體溶液只能留存在Ti片上，不能擴散至水中，并隨Ti片的取出而離開。

隨后，向水中加入的十二烷基磺酸鈉溶液，增大了水溶液的表面張力，使漂浮的單層膠體膜中的膠體粒子組裝成密排的、單層單分散的晶體薄膜。同樣在水溶液的表面張力作用下，Ti基底打撈出單層的密排薄膜，干燥后即在Ti基底表面固定上單層的排布整齊均一的聚苯乙烯微球。

最后，通過液相沉積法在聚苯乙烯微球表面上沉積一層TiO₂薄膜，再燒結去除聚苯乙烯微球，即在Ti基底上固定得到單層、單分散的TiO₂中空微球陣列。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：