CN106629841B - 一种表层无覆盖的二氧化钛反蛋白石 - Google Patents

一种表层无覆盖的二氧化钛反蛋白石 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种表层无覆盖二氧化钛反蛋白石的制备方法，包含以下步骤：(1)将二氧化钛前驱体、乙醇和水按一定比例混合，配置成二氧化钛前躯体溶液；(2)采用垂直沉积或者水平沉积，在基片上进行胶体晶体的制备；(3)将基片连同胶体晶体一起倾斜放置入培养皿中，用微蠕泵将去离子水缓慢地泵入培养皿之中，当水面逐渐升高的时候，把胶体晶体从基片上剥离，最终胶体晶体浮于水面之上；(4)将二氧化钛前驱体溶液滴入在水中，并滴入一定量的乙醇，静置后用基片捞出；(5)让胶体晶体自然干燥从而使二氧化钛前驱体转化为二氧化钛，除去胶体晶体微球，可以获得表层无覆盖具有开放孔道结构的二氧化钛反蛋白石。

Description

一种表层无覆盖的二氧化钛反蛋白石
技术领域
本发明涉及到一种表层无覆盖二氧化钛反蛋白石的制备方法，该反蛋白石可以应用于光子晶体、光催化等领域。
背景技术
反蛋白石也叫反相胶体晶体，是以胶体晶体为模板，在其内部填充不同折射率材料后，通过化学或者物理方法去除胶体晶体而得到的结构。其中胶体晶体是由亚微米微球通过自组装形成的三维有序结构，由于其介电常数周期性变换产生了光子禁带。由于反蛋白石可由不同折射率的材料填充，其在光子晶体、光响应、及光传感方面具有大的前景。另可使用不同粒径的胶体晶体微球，得到不同比表面积的反蛋白石，在光催化方面，能极大地提高催化效率。
目前制备反蛋白石的过程中，对胶体晶体的填充方法不外乎以下几种：前躯体溶液-胶体晶体共组装、浸涂法、化学气相沉积以及旋涂填充法。这几种填充方法尽管能对胶体晶体进行较好的填充，并最终得到较高质量的反蛋白石，但对于严格控制胶体晶体最上层微球不被填充材料所覆盖，存在一定难度。
文献1(B.Gates,Y.D.Yin,Y.N.Xia,Chem.Mater.1999,11,2827-2836.)采用微流容器的方法限定填充物的填充，从而制备得到表层无覆盖的反蛋白石结构；文献2(P.J.Demeyer,S.Vandendriessche,S.Van Cleuvenbergen,S.Carron,K.Bogaerts,T.N.Parac-Vogt,T.Verbiest,K.Clays,Acs Applied Materials&Interfaces 2014,6,3870-3878.)和文献3(Z.Cai,J.Teng,Z.Xiong,Y.Li,Q.Li,X.Lu,X.S.Zhao,Langmuir2011,27,5157-5164.)描述了常规反蛋白石的制备方法，并分析了表面覆盖层对反蛋白石性能及潜在应用的影响，并提出了一种采用三明治的方法将胶体晶体夹在基底之间，从而避免填充物覆盖胶体晶体表面，以便得到表层无覆盖的反蛋白石。另外文献4(L.Wang,X.S.Zhao,Journal Of Physical Chemistry C 2007,111,8538-8542.)和文献5(B.Hatton,L.Mishchenko,S.Davis,K.H.Sandhage,J.Aizenberg,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2010,107,10354-10359.)采用共组装的方法，将二氧化硅前驱体引入到进行垂直沉积的微球乳液中，在自组装的过程中，二氧化硅形成于自组装在基底之上的微球之间，从而形成无裂纹的胶体晶体，另外通过前驱体浓度的控制，可以得到表层无覆盖的反蛋白石。
本发明提出了一种表层无覆盖的具有开放孔道结构的反蛋白石的制备方法，该方法不需要采用基片或者微流容器壁对胶体晶体表层的覆盖，即可制备大面积规整的表层无覆盖反蛋白石。
发明内容
本发明提出一种制备二氧化钛反蛋白石的方法，其特征在于，该方法制备的二氧化钛反蛋白石结构光泽明显，呈现大面积的表层无覆盖碗状排列结构。此方法制备的反蛋白石表层为碗状结构，内部为中空微球排列结构，拥有较大比表面积。
该方法包含以下步骤：
(1)将四氯化钛、三氯化钛、异丙醇钛或钛酸四丁酯等、乙醇和水按一定比例混合，配置成二氧化钛前躯体溶液；
(2)通过竖直沉积或者水平沉积的方法，在经过食人鱼溶液亲水处理过的基片上进行聚苯乙烯微球的自组装，形成胶体晶体；
(3)将基片连同胶体晶体一起倾斜放置入培养皿中，倾斜角度一般在10-75度之间，优选的倾斜角度在30-60度之间；用微蠕泵将去离子水缓慢地泵入培养皿之中，当水面逐渐升高的时候，把胶体晶体从基片上剥离，最终胶体晶体浮于水面之上；
(4)从培养皿边沿加入水质量5％的乙醇，另外将二氧化钛前驱体溶液滴入水中，静置4h-12h后，将新的基片斜插入水中，缓慢移动基片至胶体晶体下方，并缓慢地抬升基片，将胶体晶体捞出；基片插入及捞出胶体晶体的过程要避免水面的波动，以免波动使水溶液溅至胶体晶体之上。
(5)让胶体晶体自然干燥从而使二氧化钛前驱体转化为二氧化钛，之后通过物理或者化学方法除去胶体晶体微球，可以获得表层无覆盖的二氧化钛反蛋白石。
步骤3中，胶体晶体由于表面张力作用浮于液面之上，因而前驱液在填充胶体晶体之间空隙的同时，其顶层微球的上半部分球冠暴露于空气之中，从而保证不被覆盖。微蠕泵的速度通常可以设置在1ml/h到200ml/h之间，优选10ml/h-50ml/h之间。
步骤3中，将胶体晶体从载玻片上剥离，浮于水面，不限于使用蠕动泵将胶体晶体剥离，也可直接将载玻片置于培养皿中，加水将胶体晶体剥离。另外，附着有胶体晶体的基片倾斜放置入培养皿中，倾斜角度(与水平面的夹角)通常在3-60度，优选的倾斜角度为10-30度。
步骤4中，二氧化钛前躯体可以是四氯化钛、异丙醇钛、钛酸四丁酯、三氯化钛或者其混合物。滴入的乙醇量通常在4％-20％之间，优选4％-10％之间。
步骤2中，用来制备胶体晶体的微球为150nm-5μm，更适应用来制备胶体晶体的微球粒径在200nm-1.5μm。
所用基片为可以为硅片、玻璃片或石英片等。
附图说明
图1为实施例1所得到的二氧化钛反蛋白石扫描电镜俯视图。
图2为实施例1所得到的二氧化钛反蛋白石扫描电镜俯视放大图。
具体实施方式
以下所述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
以下所述实施例中所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可以从商业途径购得。
实施例1、二氧化钛反蛋白石的制备。
首先通过无皂乳液聚合的方法制备粒径均匀的PS胶体微球：将200g超纯水和4g苯乙烯加入装有机械搅拌和回流冷凝管的500ml三口瓶中，将该三口瓶置于60℃的水浴中进行加热并通氮气搅拌，搅拌速度为300rpm，1小时后在三口瓶中加入0.41g过硫酸钾作为无皂乳液聚合的引发剂，反应24h后得到粒径为400nm的PS微球乳液，该微球粒径标准偏差小于3％。
其后，在冰浴条件下分别将13.52ml水、13.52ml乙醇和2.96ml四氯化钛加入到玻璃瓶中，在0℃下沉化4h，备用。
取100μl 3％w/w PS微球乳液，滴在2.5cm*2.5cm的载玻片上，并使其摊开覆盖整个载玻片，等待溶剂蒸发形成胶体晶体。
将上述载玻片用胶带固定在培养皿壁上使载玻片倾斜于培养皿中，使用蠕动泵向培养皿中加水，胶体晶体随着培养皿中水面上升而从载玻片上脱离，直至胶体晶体完全脱离，关闭蠕动泵，此时胶体晶体浮于水面上。
将0.3g二氧化钛前躯体溶液滴加在水中，胶体晶体逐渐浸润后，用载玻片捞出胶体晶体，自然干燥24h。
最后将该载玻片500℃煅烧3h去除PS微球，可得到表层无覆盖的二氧化钛反蛋白石。
实施例2
采用如实例1的无皂乳液聚合方法制备粒径为536nm的PS微球，通过离心-再分散洗涤三次，之后配置浓度为0.04％的乳液。
取15nm乳液置入25ml烧杯中，将经食人鱼溶液洗涤的2.2*3cm载玻片垂直插入其中，将烧杯静置于60℃烘箱之中，18h后，玻璃片上形成胶体晶体。
将上述载有胶体晶体的玻璃片用胶带固定在培养皿壁上，使玻璃片倾斜于培养皿中，使用蠕动泵向培养皿中加水，胶体晶体随着培养皿中水面上升而从载玻片上脱离，直至胶体晶体完全脱离，关闭蠕动泵，此时胶体晶体浮于水面上。
将0.3g如实例1所述的二氧化钛前躯体溶液滴加在水中，胶体晶体逐渐浸润后，用载玻片捞出胶体晶体，自然干燥24h。
将载玻片培养皿中，加入10ml甲苯中，静置4h后倒出甲苯。之后重新加入甲苯进行清洗，重复三次，确保PS微球被甲苯溶出，从而获得表层无覆盖的反蛋白石。

Claims (6)

1.一种表层无覆盖二氧化钛反蛋白石的制备方法，该方法制备的二氧化钛反蛋白石结构光泽明显，表层无覆盖，具有开放孔道结构，该制备方法具体包含以下步骤：
(1)将二氧化钛前驱体、乙醇和水按一定比例混合，配置成二氧化钛前躯体溶液；
(2)采用垂直沉积或者水平沉积，在基片上进行胶体晶体的制备；
(3)将基片连同胶体晶体一起倾斜放置入培养皿中，倾斜角度一般在10-75度之间；用微蠕泵将去离子水缓慢地泵入培养皿之中，当水面逐渐升高的时候，把胶体晶体从基片上剥离，最终胶体晶体浮于水面之上；
(4)将二氧化钛前驱体溶液滴入在水中，并滴入一定量的乙醇，静置4h后用基片捞出；
(5)让胶体晶体自然干燥从而使二氧化钛前驱体转化为二氧化钛，并通过物理或者化学方法除去胶体晶体微球，可以获得表层无覆盖具有开放孔道结构的二氧化钛反蛋白石。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，胶体晶体由于表面张力作用浮于液面之上，因而前驱液在填充胶体晶体之间空隙的同时，其顶层微球的上半部分球冠暴露于空气之中，从而保证不被覆盖。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，二氧化钛前躯体可以是四氯化钛、异丙醇钛、钛酸四丁酯、三氯化钛或者其混合物。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，用来制备胶体晶体的微球为150nm-5μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，滴入的乙醇量通常在4％-20％之间。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所用基片为硅片、玻璃片或石英片。
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