[发明专利]一种介孔光催化薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种介孔光催化薄膜及其制备方法。

背景技术

自发现光照TiO₂半导体电极具有分解水的功能，纳米TiO₂光催化氧化技术作为一种水处理的方法引起了广泛的重视。TiO₂具有足够的带隙能宽度，能催化多种光化学反应。目前，利用纳米尺寸的半导体材料作为较高光电转换效率的太阳能电池的光阳极以及研制实用、高效的环境友好光催化剂等已成为世界范围的研究热点。TiO₂因其化学性质稳定、难溶、无毒、成本低等因素，被认为是比较理想的光阳极材料和光催化剂。催化剂的粒子尺寸是影响光催化活性的主要因素之一，一般认为粒子尺寸越小，其光催化活性越高。但应用于水体中的光催化剂，其粒子尺寸越小越不易与水体分离，从而限制了半导体光催化氧化技术的实用化。为克服分离催化剂的缺陷，人们采用半导体粒子膜催化剂代替粒子催化剂。以玻璃为基体的TiO₂膜光催化剂的制备和表征有较多报道，也有以导体金属Ti片为基体的纳米粒子TiO₂膜的研究。

目前介孔TiO₂的应用研究主要集中在光催化剂、太阳能电池电极等方面。介孔TiO₂因其具有高比表面积，发达有序的孔道结构，孔径尺寸在一定范围内可调，表面易于改性等特点，可以有效地增强TiO₂光催化的性能。实验证明，介孔TiO₂比纳米TiO₂(P25)具有更高的光催化活性。因为介孔结构的高比表面积增加了表面吸附的水和羟基，水和羟基可与催化剂表面光激发的空穴反应产生羟基自由基，而羟基自由基是降解有机物的强氧化剂.此外，介孔结构更利于反应物和产物的扩散。由于TiO₂稳定、无毒、易成膜，成为选择最多的半导体电极膜材料。染料敏化的介孔TiO₂太阳能电池替代传统的固态电池经济高效。[Michael G.Molecularphotovohaics that mimic photosynthesis.Pure Appl Chem，2001，73(3)：459]而介孔TiO₂作为生物活性材料、化学传感器、可控释放包埋材料，将一些功能有机分子封装于薄膜中制得具有光、电、磁等特殊性质的材料等应用也有着巨大的开发价值。[Karen L F，et al.Sensitizedlumi-nescence of trivalent europium by three-dimensionallyarranged anatase nanocrystals in mesOstructured titaniathin films.Angew Chem Int Ed，2002，41(6)：959]

溶胶-凝胶方法制备的介孔TiO₂材料比表面积大、孔径分布窄、易沉积形成透明的纳米膜。介孔结构薄膜的生成与反应物的比例，尤其是模板剂的用量有很大的关系。文献[Hyeok Choi，Elias Stathatos，DionysiosD.D [J]，Applied Catalysis B：Environmental，2006，63(3-4)：60-67]

用Tween 80做模板剂，以最佳物质的摩尔比Tween80∶iPrOH∶aceticacid∶TTIP＝1∶45∶6∶1，得到了锐钛型具有发达的孔结构的TiO₂膜。进一步提高膜的性能，需要缩小介孔的孔径分布范围，提高薄膜介孔排列的有序度，提高其比表面积，并使其具有高催化活性的锐钛矿型。文献[U-HwangLee，Haeseong Lee，Sun Wen，et.al，[J].Microporous and MesoporousMaterials，2006，88(1-3)：48-55]首次在旋转涂膜时控制湿度60％-70％，陈化3天保持湿度75％-80％，较低的湿度如30％则不利于介孔生成，这一研究对有序介孔结构形成做出贡献。文献[桑丽霞，马重芳，孙继红，等，掺杂TiO2介孔材料的合成与表征[J]，高等学校化学学报，2006，27(9)：1608-1611]通过掺杂Fe3+/V5+稳定材料的介孔结构(适宜的掺杂摩尔分数为0.5％)，平均孔径分别为10.5和9.6nm。

目前，二氧化钛薄膜具有较高的比表面积和一定的有序度，但仍然存在着很多问题，模板剂的作用机理，在高温脱去模板剂时介孔的塌陷，孔壁的断裂，有序度降低等。

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