[發明專利]一種雙層三維仿生消反射復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201811541214.4
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN109622064B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 石剛;李新;李贏;王大偉;王利魁;倪才華;桑欣欣;朱海燕
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: B01J31/38
• 分類號: B01J31/38;A62D3/176
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 張勇

本發明涉及一種雙層三維仿生消反射復合材料及其制備方法，屬于材料學領域。本發明首先通過軟壓印技術，在玻璃的正反兩面分別構筑三維金字塔結構的TiO₂，然后再原位生長聚吡咯(PPy)，形成具有人造蛾眼結構的p?n異質結和仿生消反結構的(PPy/P?TiO₂/G/P?TiO₂/PPy)消反射復合材料，為光催化劑的結構設計提供了一種新的思路。本發明消反射復合材料能夠高效催化有機染料的降解，具有優異的消反射性能和光催化活性，且制備方法簡便，工業前景非常好。

技術領域

本發明涉及一種雙層三維仿生消反射復合材料及其制備方法，屬于材料學領域。

背景技術

銳鈦礦型TiO₂由于具有較高的光催化活性、穩定性好、價廉無毒等特點，被各國科學家進行了廣泛而又深入的研究，如光催化、染料敏化太陽能電池、鋰離子電池、傳感器、光電化學電池等領域。納米TiO₂的帶隙能約為3.2eV，禁帶寬度較大，因而僅在200-400nm波長范圍內對光有吸收，造成太陽能的利用率較低。為了解決這一瓶頸問題，已有研究工作通過各種手段改變TiO₂材料的表面或整體性質，如摻雜金屬和(或)非金屬原子，等離子共振(如Au，Ag等)，量子點敏化和窄帶隙半導體復合等。用窄帶隙半導體改性的TiO₂時會在它們的界面形成異質結，增強了它們的電子和空穴的分離性能和擴大光譜吸收范圍。

在太陽能利用效率方面，除了解決銳鈦礦型TiO₂禁帶寬度問題，還需要關注入射光吸收效率問題。在光電材料或者器件的表面構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。消反射膜主要分為單層膜法、多層膜膜法和微結構法。其中微結構法可以克服單層膜法和多層膜法的缺陷(如寬光譜范圍內的減反射)而得到了廣泛的應用。利用軟壓印技術在器件的表面構筑微結構(如ZnO納米陣列，TiO₂納米陣列等)增強光電器件對光的吸收，提高太陽能的轉換效率，但由于其只在透明基底的一個表面構筑了一層2D光柵結構，使得器件對光的減反射效果十分有限，從而限制了太陽能轉化效率的進一步提高。

發明內容

為了解決上述問題，提高太陽能轉化效率，本發明首先通過軟壓印技術，在玻璃的正反兩面分別構筑三維金字塔結構的TiO₂，然后再原位生長聚吡咯(PPy)，形成具有人造蛾眼結構的PPy/TiO₂雙層三維仿生消反射復合材料。本發明雙層三維仿生消反射復合材料的仿生蛾眼結構中發生折射的兩種介質的比例發生漸變，會使表面的折射率從空氣到基底實現一個逐漸遞變的過程，實現優異的消反射，從而達到一個高吸光的效果。

本發明首先利用單晶硅在堿性溶液中發生各向異性刻蝕的特性，制備具有金字塔結構的硅模板；然后將PDMS預聚體澆筑在其表面，固化后得到與硅模板結構互補的PDMS模板；將PDMS模板壓在滴有TiO₂溶膠的潔凈玻璃表面，隨著溶劑的慢慢揮發，溶膠中的鈦酸四正丁酯預聚體之間進一步縮聚，最后形成無定型的TiO₂，同時由于PDMS模板的限域作用，使得TiO₂在玻璃的表面形成與PDMS模板互補的金字塔結構；然后將TiO₂煅燒使其轉化成銳鈦礦型TiO₂，提高TiO₂的光催化能力；最后在TiO₂金字塔表面復合一層導電高分子PPy，進一步提高材料的光譜吸收范圍和光生載流子的分離效率，最終得到具有高光催化能力的雙層三維仿生結構PPy/TiO₂復合材料(如圖1所示)。

本發明的第一個目的是提供一種消反射復合材料，所述消反射復合材料具有雙層三維仿生結構，包含金字塔結構的二氧化鈦和金字塔表面的聚吡咯。

在本發明的一個實施方式中，所述消反射復合材料的制備方法包括：