CN103818910B - 一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法，所制备氧化硅-氧化钛异质胶体晶体排列有序性好，以KCl为表面改性剂，正硅酸乙酯为原料制备二氧化硅球形颗粒，以ITO为电极和基底制备出二氧化硅胶体晶体模板，填充氧化钛凝胶，在煅烧过程限制氧化钛在各个空隙中生长即获得氧化硅-氧化钛异质胶体晶体。

Description

一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法。
背景技术
光子晶体是一种折射率空间周期变化的新型光学微结构材料。其中，单分散胶体球在某种介质中相互间以一定的空间间隔排列成周期排列的三维有序结构称为胶体晶体，这类材料主要采用自组装法合成，这种方法对于胶体球的形貌、粒径分布要求很高，目前主要采用二氧化硅和聚合物胶体球，这些胶体球的介电常数较低，对于胶体晶体的性能有所限制，不利于其应用。在此单质胶体晶体的基础之上，引入介电常数较高的氧化钛材料，可有效提高其光学性能，有利于新型异质胶体晶体结构的开发和性能研究。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法，可获得周期性排列的氧化硅-氧化钛异质胶体晶体，其生产工艺简单、设备简单。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.1%～0.15%的KCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为（5～12.5）：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为（2～4）：1，再将2～4mL的KCl水溶液加入溶液B中，KCl水溶液与氨水的体积比为1：（1～5），然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应20～22h后，分离沉淀，离心洗涤后于50～60℃干燥，得到表面改性的SiO2纳米球或亚微米球粉体；
（2）称量SiO2粉体，将其超声分散于有机溶液中，超声时间为2～3h，获得SiO2颗粒悬浮液，其颗粒的质量分数为1%～2%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.3～0.6cm，在两ITO玻片上通9～14V电压，通电20～40s后以0.2～0.6cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
（4）称取一定量的柠檬酸溶于质量分数25～28%的氨水溶液中，氨水溶液以能溶解柠檬酸为准，再依次加入钛酸丁酯、无水乙醇和水，搅拌溶解后用氨水调pH值至7～10即获得前驱体溶胶，其中，柠檬酸的摩尔数为钛酸丁酯摩尔数的1.5～2.5倍，氨水总用量的体积为无水乙醇体积的1.5～3倍，水的体积为无水乙醇体积的1～1.2倍，在80～90℃水浴下蒸发1～2h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体溶胶中5min，缓慢提拉出膜层，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在70～80℃下烘干，最后将双基片在500～700℃下煅烧3～4h后即获得氧化硅-氧化钛异质胶体晶体。
优选地，所述步骤（2）中的有机溶液为乙醇或甲醇。所述步骤（4）中SiO2胶体晶体的浸入角度为与水平方向呈45～60度。
与现有技术相比，本发明提供的氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法中，以ITO为电极和基底，采用KCl改性二氧化硅球形颗粒制备出二氧化硅胶体晶体，在此可通过控制表面荷电、电压、提拉速度、电极间距等参数获得非密堆结构二氧化硅胶体晶体模板，这有利于氧化钛凝胶渗透并填充于二氧化硅胶体晶体模板的孔隙内，再利用双基片烘干及煅烧，使氧化钛凝胶在有限的空间内进行生长，再利用凝胶自身的体积变化即可获得有序排列的氧化硅-氧化钛异质胶体晶体，这种方法工艺设备简单、成本低。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例1
一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.1%的KCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为5：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为2：1，再将2mL的KCl水溶液加入溶液B中，KCl水溶液与氨水的体积比为1：1，然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应20h后，分离沉淀，离心洗涤后于50℃干燥，得到表面改性的SiO2纳米球或亚微米球粉体；
（2）称量SiO2粉体，将其超声分散于乙醇中，超声时间为2h，获得SiO2颗粒悬浮液，其颗粒的质量分数为1%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.3cm，在两ITO玻片上通9V电压，通电20s后以0.2cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
（4）称取一定量的柠檬酸溶于质量分数25%的氨水溶液中，氨水溶液以能溶解柠檬酸为准，再依次加入钛酸丁酯、无水乙醇和水，搅拌溶解后用氨水调pH值至7即获得前驱体溶胶，其中，柠檬酸的摩尔数为钛酸丁酯摩尔数的1.5～2.5倍，氨水总用量的体积为无水乙醇体积的1.5倍，水的体积与无水乙醇体积相等，在80℃水浴下蒸发1h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体溶胶中5min，缓慢提拉出膜层，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在70℃下烘干，最后将双基片在500℃下煅烧3h后即获得氧化硅-氧化钛异质胶体晶体。
实施例2
一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.15%的KCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为12.5：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为4：1，再将4mL的KCl水溶液加入溶液B中，KCl水溶液与氨水的体积比为1：5，然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应22h后，分离沉淀，离心洗涤后于60℃干燥，得到表面改性的SiO2纳米球或亚微米球粉体；
（2）称量SiO2粉体，将其超声分散于甲醇中，超声时间为3h，获得SiO2颗粒悬浮液，其颗粒的质量分数为2%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.6cm，在两ITO玻片上通14V电压，通电40s后以0.6cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
（4）称取一定量的柠檬酸溶于质量分数28%的氨水溶液中，氨水溶液以能溶解柠檬酸为准，再依次加入钛酸丁酯、无水乙醇和水，搅拌溶解后用氨水调pH值至10即获得前驱体溶胶，其中，柠檬酸的摩尔数为钛酸丁酯摩尔数的2.5倍，氨水总用量的体积为无水乙醇体积的3倍，水的体积为无水乙醇体积的1.2倍，在90℃水浴下蒸发2h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体溶胶中5min，缓慢提拉出膜层，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在80℃下烘干，最后将双基片在700℃下煅烧4h后即获得氧化硅-氧化钛异质胶体晶体。
实施例3
一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.125%的KCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为7.85：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为3.15：1，再将3mL的KCl水溶液加入溶液B中，KCl水溶液与氨水的体积比为1：2.75，然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应21h后，分离沉淀，离心洗涤后于55℃干燥，得到表面改性的SiO2纳米球或亚微米球粉体；
（2）称量SiO2粉体，将其超声分散于乙醇中，超声时间为2.5h，获得SiO2颗粒悬浮液，其颗粒的质量分数为1.65%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.5cm，在两ITO玻片上通12V电压，通电30s后以0.4cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
（4）称取一定量的柠檬酸溶于质量分数26%的氨水溶液中，氨水溶液以能溶解柠檬酸为准，再依次加入钛酸丁酯、无水乙醇和水，搅拌溶解后用氨水调pH值至8即获得前驱体溶胶，其中，柠檬酸的摩尔数为钛酸丁酯摩尔数的2倍，氨水总用量的体积为无水乙醇体积的2倍，水的体积为无水乙醇体积的1.1倍，在85℃水浴下蒸发1.5h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体溶胶中5min，缓慢提拉出膜层，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在75℃下烘干，最后将双基片在600℃下煅烧3.5h后即获得氧化硅-氧化钛异质胶体晶体。
本发明中，当二氧化硅胶体晶体的浸入角度为与水平方向呈45～60度时，效果更佳。

Claims (1)

1.一种氧化硅-氧化钛异质胶体晶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配制质量浓度为0.1％～0.15％的KCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为(5～12.5)：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为(2～4)：1，再将2～4mL的KCl水溶液加入溶液B中，KCl水溶液与氨水的体积比为1：(1～5)，然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应20～22h后，分离沉淀，离心洗涤后于50～60℃干燥，得到表面改性的SiO2纳米球或亚微米球粉体；
(2)称量SiO2粉体，将其超声分散于有机溶液中，超声时间为2～3h，获得SiO2颗粒悬浮液，其颗粒的质量分数为1％～2％；
(3)将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.3～0.6cm，在两ITO玻片上通9～14V电压，通电20～40s后以0.2～0.6cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
(4)称取一定量的柠檬酸溶于质量分数25～28％的氨水溶液中，氨水溶液以能溶解柠檬酸为准，再依次加入钛酸丁酯、无水乙醇和水，搅拌溶解后用氨水调pH值至7～10即获得前驱体溶胶，其中，柠檬酸的摩尔数为钛酸丁酯摩尔数的1.5～2.5倍，氨水总用量的体积为无水乙醇体积的1.5～3倍，水的体积为无水乙醇体积的1～1.2倍，在80～90℃水浴下蒸发1～2h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体溶胶中5min，缓慢提拉出膜层，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在70～80℃下烘干，最后将双基片在500～700℃下煅烧3～4h后即获得氧化硅-氧化钛异质胶体晶体；
所述步骤(2)中的有机溶液为乙醇或甲醇；
所述步骤(4)中SiO2胶体晶体的浸入角度为与水平方向呈45～60度。
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