一种三维有序大孔二氧化钛材料的快速制备方法
【专利摘要】本发明提出了一种用真空填充模板法快速制备三维有序大孔二氧化钛的方法。该方法是将无水乙醇与酞酸四丁酯混合形成的均匀透明溶胶在真空状态下填充到模板缝隙中，然后放入恒温恒湿箱中控制一定的湿度和温度凝胶化，取出后放入空气中自然干燥24h，最后将得到的样品放入马弗炉中高温煅烧除去模板，即得到具有特定晶型的三维有序大孔二氧化钛。该方法较传统的方法简单易行，操作方便且效率高，填充时间短，填充次数少。
【专利说明】一种三维有序大孔二氧化钛材料的快速制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用溶胶-凝胶方法结合真空抽滤填充制备三维有序大孔二氧化钛的方法，属于新材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]二氧化钛作是一种宽禁带半导体，具有廉价无毒、抗光腐蚀、催化活性高、氧化能力强、稳定性好等优点，制备比表面积高，催化性能好的多孔二氧化钛备受人们的关注。用前驱液对胶体晶体模板进行填充是制备多孔二氧化钛简单且有效的方法，其优点在于可以利用不同尺寸的胶体晶体模板合成不同孔径大小的大孔材料，且制备的大孔材料相互贯通。但是，用前驱液填充胶体晶体模板方法制备大孔二氧化钛材料，无论是材料形貌还是规整性等都存在问题。主要原因，一是前驱液容易水解，很难控制其填充程度，二是前驱液粘度较大，容易在大孔二氧化钛表面形成覆盖层，导致材料表面孔道堵塞。如果填充次数少，会造成填充不完全，孔壁很薄，在煅烧过程中造成孔壁坍塌；而填充次数较多时，很容易在胶体晶体表面覆盖大量的二氧化钛层，造成大孔被覆盖，不能形成相互贯通的规整的大孔结构。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种简便有效的，可以制备结构规整、表面无覆盖层的三维有序大孔二氧化钛材料的快速制备方法。
[0004]为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案: [0005]一种三维有序大孔二氧化钛材料的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0006](I)将质量分数为5%单分散聚苯乙烯微球水溶液(分散系数0.005)平铺在洁净的载玻片上，在湿度40%，温度60°C下，蒸发4h制成聚苯乙烯胶体晶体膜；
[0007](2)将制备好的胶体晶体膜在温度100°C下热处理30min，冷至室温后，在其表面再覆盖一层载玻片，并将两片载玻片用夹子固定牢固，即组成“三明治”结构的双载玻片；
[0008](3)将钛酸四丁酯与无水乙醇混合，磁力搅拌2个小时，得到均匀透明的前驱体溶液；
[0009](4)将“三明治”结构的双载玻片垂直放入前驱体溶液中，在真空度-0.07MPa下，保持真空Imin后取出；
[0010](5)将填充好的“三明治”结构的双载玻片，在温度60°C，湿度40%下，让“三明治”结构中间的前驱液快速水解并凝胶化，取出后自然干燥24h ；
[0011](6)将载玻片置于马弗炉中，先以3°C /min缓慢升温到300°C保温2h，再以2V /min升温到500-800°C保温2h，脱除聚苯乙烯胶体晶体模板，得到三维有序大孔二氧化钛材料。
[0012]进一步地,所述的聚苯乙烯微球的粒径为240nm~350nm。
[0013]进一步地，所述的钛酸四正丁酯与无水乙醇的体积比为1:5~20。[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0015]1.本发明的“三明治”结构的双载玻片，当用前驱液对聚苯乙烯胶体晶体模板进行真空填充时，双载玻片的双毛细力现象促进了前驱液在模版间隙的填充，且表面无前驱液覆盖，制备的大孔二氧化钛材料结构规整，是胶体晶体模板的精确反复制。
[0016]2.本发明的一种三维有序大孔二氧化钛材料的制备方法，“三明治”结构简便有效，只需要真空填充一次，大大缩短了制备大孔二氧化钛材料的时间。
[0017]3.本发明的一种三维有序大孔二氧化钛材料的制备方法，改变聚苯乙烯微球的大小，可以制得不同尺寸的三维有序大孔二氧化钛。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是实施例1制备的三维有序大孔二氧化钛材料的扫描电镜照片。从照片中可以清晰的看出，该三维有序大孔二氧化钛材料呈三维有序规整排列，孔径分布均一孔道与孔道之间通过小窗互相贯通。形成开放的三维有序网络结构。
[0019]图2是实施例2制得的三维有序大孔二氧化钛材料的低温氮气吸附-脱附曲线图。说明制得的三维有序大孔二氧化钛材料具有介孔结构。
[0020]图3是实施例3制得的三维有序大孔二氧化钛材料在不同温度下焙烧得到的X射线衍射结果。在500~600°C焙烧主要得到锐钛矿型二氧化钛，当温度提高到700°C及以上时，出现尖红石晶型的二氧化钛。
【具体实施方式】
[0021]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。
[0022]实施例1:
[0023](I)将质量分数为5%单分散聚苯乙烯微球水溶液(粒径265nm，分散系数0.005)平铺在洁净的载玻片上，在湿度40%，温度60°C下，蒸发4h制成聚苯乙烯胶体晶体膜；
[0024](2)将制备好的胶体晶体膜在温度100°C下热处理30min，冷至室温后，在其表面再覆盖一层载玻片，并将两片载玻片用夹子固定牢固，即组成“三明治”结构的双载玻片；
[0025](3)将钛酸四丁酯与无水乙醇按体积比1:5混合，磁力搅拌2个小时，得到均匀透明的前驱体溶液；
[0026](4)将“三明治”结构的双载玻片垂直放入前驱体溶液中，在真空度-0.07MPa下，保持真空Imin后取出；
[0027](5)将填充好的“三明治”结构的双载玻片，在温度60°C，湿度40%下，让“三明治”结构中间的前驱液快速水解并凝胶化，取出后自然干燥24h ；
[0028](6)将载玻片置于马弗炉中，先以3°C /min缓慢升温到300°C保温2h，再以2V /min升温到600°C保温2h，脱除聚苯乙烯胶体晶体模板，得到三维有序大孔二氧化钛材料。
[0029]图1是实施例1制得的三维有序大孔二氧化钛材料的表面和截面的SEM图。
[0030]实施例2:
[0031](I)将质量分数为5%单分散聚苯乙烯微球水溶液(粒径310nm，分散系数0.005)平铺在洁净的载玻片上，在湿度40%，温度60°C下，蒸发4h制成聚苯乙烯胶体晶体膜；[0032](2)将制备好的胶体晶体膜在温度100°C下热处理30min，冷至室温后，在其表面再覆盖一层载玻片，并将两片载玻片用夹子固定牢固，即组成“三明治”结构的双载玻片；
[0033](3)将钛酸四丁酯与无水乙醇按体积比1:10混合，磁力搅拌2个小时，得到均匀透明的前驱体溶液；
[0034](4)将“三明治”结构的双载玻片垂直放入前驱体溶液中，在真空度-0.07MPa下，保持真空Imin后取出；
[0035](5)将填充好的“三明治”结构的双载玻片，在温度60°C，湿度40%下，让“三明治”结构中间的前驱液快速水解并凝胶化，取出后自然干燥24h ；
[0036](6)将载玻片置于马弗炉中，先以3°C /min缓慢升温到300°C保温2h，再以2V /min升温到700°C保温2h，脱除聚苯乙烯胶体晶体模板，得到三维有序大孔二氧化钛材料。
[0037]图2是实施例2制得的三维有序大孔二氧化钛材料的低温氮气吸附-脱附曲线图。说明制得的三维有序大孔二氧化钛材料具有介孔结构。
[0038]实施例3:
[0039](1)将质量分数为5%单分散聚苯乙烯微球水溶液(粒径345nm，分散系数0.005)平铺在洁净的载玻片上，在湿度40%，温度60°C下，蒸发4h制成聚苯乙烯胶体晶体膜；
[0040](2)将制备好的胶体晶体膜在温度100°C下热处理30min，冷至室温后，在其表面再覆盖一层载玻片，并将两片载玻片用夹子固定牢固，即组成“三明治”结构的双载玻片；
[0041](3)将钛酸四丁酯与无水乙醇按体积比1:15混合，磁力搅拌2个小时，得到均匀透明的前驱体溶液；
[0042](4)将“三明治”结构的双载玻片垂直放入前驱体溶液中，在真空度-0.07MPa下，保持真空Imin后取出；
[0043](5)将填充好的“三明治”结构的双载玻片，在温度60°C，湿度40%下，让“三明治”结构中间的前驱液快速水解并凝胶化，取出后自然干燥24h ；
[0044](6)将载玻片置于马弗炉中，先以3°C /min缓慢升温到300°C保温2h，再以2V /min升温到500-800°C保温2h，脱除聚苯乙烯胶体晶体模板，得到三维有序大孔二氧化钛材料。
[0045]图3是实施例3制得的三维有序大孔二氧化钛材料在不同温度下焙烧得到的X射线衍射结果。
【权利要求】
1.一种三维有序大孔二氧化钛材料的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将质量分数为5%单分散聚苯乙烯微球水溶液(分散系数0.005)平铺在洁净的载玻片上，在湿度40%，温度60°C下，蒸发4h制成聚苯乙烯胶体晶体膜； (2)将制备好的胶体晶体膜在温度100°C下热处理30min，冷至室温后，在其表面再覆盖一层载玻片，并将两片载玻片用夹子固定牢固，即组成“三明治”结构的双载玻片； (3)将钛酸四丁酯与无水乙醇混合，磁力搅拌2个小时，得到均匀透明的前驱体溶液； (4)将“三明治”结构的双载玻片垂直放入前驱体溶液中，在真空度-0.07MPa下，保持真空Imin后取出； (5)将填充好的“三明治”结构的双载玻片，在温度60°C，湿度40 %下，让“三明治”结构中间的前驱液快速水解并凝胶化，取出后自然干燥24h ;(6)将载玻片置于马弗炉中，先以3°C /min缓慢升温到300°C保温2h，再以2°C /min升温到500_800°C保温2h，脱除聚苯乙烯胶体晶体模板，得到三维有序大孔二氧化钛材料。
2.根据权利要求1，所述的聚苯乙烯微球的粒径为240nm~350nm。
3.根据权利要求1，所述的钛酸四正丁酯与无水乙醇的体积比为1:5~20。
【文档编号】C01G23/053GK103613128SQ201310508528
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】刘士荣, 张晨, 刘缓缓, 倪忠斌, 陈明清 申请人:江南大学