[发明专利]一种聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机/无机纳米复合材料及其制备技术领域，特别涉及一种聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料及其制备方法。

技术背景

层状钛酸盐是由钛与氧以八面体通过共边、共点形成具有褶皱状二维层状结构且层间填充阳离子和水分子的阳离子型层状化合物。层状钛酸盐属于二氧化钛的衍生物，化学性能稳定、环境友好、廉价易得，具有n型半导体的性质，是一种光电转换材料，在光催化、太阳能电池及光电传感器等领域具有应用价值。但层状钛酸盐为宽带隙半导体材料，其禁带宽度大于3.0eV，对应的光电响应波长位于紫外光区，而紫外光区的能量在太阳光能中仅占不到5％。

为了充分利用太阳能，人们采用多种方法对宽带隙半导体材料进行修饰改性，如贵金属掺杂，非金属阴离子或过渡金属阳离子掺杂，染料敏化及窄带隙半导体敏化等，以使光电响应范围从紫外光区扩展到可见光区。

在文献(1)Chem.Mater.，2002，14，2486-2491中，Jin-Ho Choy等人将层状钛酸盐剥层得到带负电荷的氧化钛纳米片溶胶，通过调节pH值使二氧化钛纳米颗粒溶胶带正电荷，然后将上述带相反电荷的两种溶胶通过静电重组得到二氧化钛柱撑层状钛酸盐纳米复合材料。与质子化层状钛酸盐及二氧化钛纳米颗粒溶胶相比，复合材料的光谱吸收范围红移，且复合材料光催化分解水制氢的效率也明显提高。但该复合材料光谱吸收范围红移程度有限，对可见光的利用率不高。

在文献(2)Adv.Funct.Mater.2007，17.401-412中，Gang Yang等人先将苯胺单体引入层状铌酸盐层间，然后分别通过化学聚合和微波聚合方法使层间苯胺单体聚合，获得了聚苯胺插层铌酸盐复合材料，并对该复合材料的电化学性能进行了研究。但该复合材料的比容量及电化学循环性能较差，尚需进一步改善。

利用层状钛酸盐的特殊结构及其层间客体的可交换性，若将聚苯胺引入钛酸盐层间可形成聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料，预期该复合材料具有较好的光电响应特性。但由于层状钛酸盐层板间作用力较强，客体的插层较困难，因此聚苯胺插层钛酸盐的研究工作尚未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料及其制备方法，克服了层状钛酸盐层板间作用力大，直接将大分子聚合物插入层间困难等不利因素，成功地制备出聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料。

本发明的纳米复合材料的化学组成为PANI/H_xTi_2-x/4□_x/4O₄·H₂O。其中，H_xTi_2-x/4□_x/4O₄·H₂O为质子化层状钛酸盐，钛与氧以八面体通过共边、共点形成具有褶皱状的二维层状结构，层板厚度为0.7～1.2nm；x取值范围为0.65≤x≤0.75；□为层板中钛元素空位，由于层板钛缺失而带有一定量的负电荷，具有n型半导体性质。PANI为聚苯胺，位于质子化层状钛酸盐H_xTi_2-x/4□_x/4O₄·H₂O的层间，PANI在复合材料中所占质量分数为7.0～8.0％，PANI被H_xTi_2-x/4□_x/4O₄·H₂O层间的H⁺所掺杂，具有p型半导体性质。因此聚苯胺插层钛酸盐PANI/H_xTi_2-x/4□_x/4O₄·H₂O是一种微观上具有p-n结异质结构的纳米复合材料。

利用聚苯胺在可见光区具有光谱吸收的特性，可将复合材料的光电响应范围从紫外光区扩展至可见光区；利用聚苯胺插层钛酸盐在微观上具有p-n结异质结构的特点，能够较好地减少光生电子和光生空穴的复合。因此该复合材料会具有较好的光电响应特性，在光催化、太阳能电池及光电传感器等领域具有较高应用价值。