[發明專利]雙殼層非對稱半導體材料及其超組裝方法

在審

• 申請號: 202010123462.8
• 申請日: 2020-02-27
• 公開（公告）號: CN111302393A
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 孔彪;曾潔;謝磊;劉天億
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C01G23/053
• 分類號: C01G23/053;B82Y40/00;B82Y30/00;B01J21/06;B01J20/06;B01J20/30
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

本發明提供了一種雙殼層非對稱半導體材料及其超組裝方法，該方法包括：步驟一，將模板劑溶解在水中，形成均一的微乳液體系，再加入碳源充分混合攪拌，再將得到的混合溶液置于反應釜中，在140℃?160℃的烘箱中反應8h?24h，得到非對稱的瓶狀開口碳聚合物框架(VPFs)；步驟二，以VPFs為模板，在其外表面和內表面生長均勻的非晶TiO₂層，得到三明治夾層結構的中間體；步驟三，對中間體進行煅燒處理，從而去除瓶狀開口碳聚合物框架，得到雙殼層非對稱半導體材料，其中步驟二包括：將VPFs分散于乙醇中，再加入氨水和鈦酸四丁酯，再將上述混合物置于25℃?80℃油浴鍋中反應12h?30h，得到中間體。

技術領域

本發明屬于材料和人工微納馬達領域，具體涉及一種雙殼層非對稱半導體材料及其超組裝方法。

背景技術

TiO₂是目前研究最廣泛的半導體氧化物之一，作為一種典型的n型半導體材料，TiO₂因其無毒、穩定性好、成本低、表面積大、孔體積大、光電性能優良等優點而成為備受矚目的光催化劑。其在催化降解、殺菌消毒、光解水產氫等許多能源和環境領域都有著極為廣泛的應用。TiO₂的光催化性能在很大程度上取決于催化劑的形貌。迄今為止，納米TiO₂材料的制備已經取得了很大的進展。在各類形貌中，多殼層中空結構的TiO₂半導體材料越來越受到人們的重視，主要原因在于這獨特的多殼層結構有利于光的反復折射及散射，可大大提高光的利用率，從而加速催化劑表面活性中心的催化反應。例如，Li和同事報告，空心TiO₂球的光催化活性遠高于實心TiO₂球。王丹等人報道了多殼層可控空心TiO₂球的制備，并且隨著TiO₂層數的增加，其光散射效應也逐漸遞增。

近年來，TiO₂在微納馬達領域也開始嶄露頭角，這些基于TiO₂的微納馬達能夠將光能、化學能等轉化為機械能，在環境修復、傳感、主動貨物運輸、能量儲存和轉換等領域極具應用前景。例如，Jiang等人研究了由不對稱鍍金的實心TiO₂微球組成的Janus TiO₂/Au微馬達的運動性能，其在3wt％H₂O₂中的速度高達為30μm/s。官建國課題組報道了銳鈦型TiO₂-PtJanus實心微球馬達在紫外光下純水中運動速度高達29μm/s。

綜上，目前所報道的多殼層TiO₂材料大多呈對稱球形，由于溶液中的反應物不能有效地進入封閉球體的內層，其光催化性能受到很大限制。而非對稱材料，尤其是非對稱多殼層結構，由于其內外殼層均能與反應溶液接觸，可克服多殼層TiO₂納米催化劑的局限性，正受到越來越多的關注。雖然在制備多殼層或不對稱TiO₂材料方面取得了很大的進展，但對于同時具有不對稱和多層結構的介孔TiO₂材料的工程化一直是一個巨大的挑戰。這可以歸結為三個主要原因。(a)TiO₂前驅體的水解和縮合速率過快，不易控制；(b)結晶過程中多層結構容易坍塌和聚集，多層結構不易保持；(c)TiO₂前驅體在水解和縮合過程中易發生均勻成核，難以實現不對稱組裝。因此，目前基于TiO₂制備的微納馬達大多都是在TiO₂對稱微球的基礎上，局部沉積貴金屬等活性材料，構建不對稱結構的光驅動微納馬達。此外，目前研究光驅動微納馬達的運動環境主要集中在H₂O和H₂O₂，且光源大多都依賴于紫外光。由于H₂O₂和紫外光具有生物毒性,很大程度的限制了馬達的應用范圍。H₂O是理想的燃料,然而光驅動微納馬達以純水為燃料的速度仍有待提升。基于此現狀，提高馬達在純水中能量利用效率成為光驅動微納馬達的重大挑戰。

發明內容