[发明专利]一种多孔纳米片构筑的三维有序大孔钛酸钙光子晶体及其合成方法

说明书

本发明公开了一种由多孔纳米片构筑的三维有序大孔结构的钛酸钙光子晶体，首先采用无皂乳液聚合法合成尺寸均一的聚苯乙烯纳米球，通过溶剂挥发组装形成胶晶模板，再利用溶胶凝胶法将钛酸钙前驱体填充该胶晶模板，再进行焙烧得到由多孔纳米片构筑的三维有序大孔钛酸钙光子晶体结构催化剂。本发明所得产物具有完整的三维有序大孔结构，结构基元是具有微孔‑介孔结构的钛酸钙纳米片，综合了三维有序大孔结构、等级孔结构、二维纳米片层结构的优势，可表现出优异的光催化性能；且涉及的合成条件简单，成本低，重复性高，制备的样品形貌完整，适合推广应用。

技术领域

本发明属于无机纳米功能材料，具体涉及一种多孔纳米片构筑的三维有序大孔钛酸钙光子晶体及其合成方法。

背景技术

三维有序大孔结构的光子晶体材料具有独特的结构和功能特性，一直是材料领域的研究热点，在催化、光学、电子工业等领域具有十分广阔的应用前景。胶体晶体硬模板法是制备三维有序大孔结构光子晶体材料最常用的一种合成方法。胶晶模板小球组装的完整有序性是决定三维有序大孔结构至关重要的因素，而聚苯乙烯小球的单分散性决定了胶晶模板的质量。

钛酸钙作为一种典型的钙钛矿材料被广泛应用在陶瓷、电子元器件等领域。由于钛酸钙具有类似二氧化钛的能带结构，因此其在光催化方面也具有一定的性能。目前关于钛酸钙用于光催化领域的研究主要集中在通过掺杂、复合等技术改变固有的能带结构、拓宽光吸收范围。在光催化研究中，钛酸钙本身多为块体或较大的纳米颗粒结构，材料利用效率低，同时掺杂往往会引入大量缺陷，造成光生电子空穴的快速复合。

材料比表面积决定了在光催化反应过程中活性位点的数量，而比表面积由材料的孔的结构与含量来控制，在光催化剂中造孔有利于提升光催化性能。一般认为，在光催化过程中，微孔、介孔结构有利于提高活性位点，大孔结构有利于增强物质传输和入射光的吸收。在光催化剂中制造等级孔结构一直以来都是研究的热点。

二维片层结构由于具有较高的比表面积和较短的载流子传输路径，在光催化领域得到了很广泛的应用。因此，具有二维层状结构材料的片层剥离及二次组装成为研究的重点。钛酸钙本身具有二维层状结构，然而传统制备方法得到的钛酸钙多为块体结构，其片层结构的优势并未得到利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种多孔纳米片构筑的三维有序大孔钛酸钙光子晶体，它具有完整的三维有序大孔结构，结构基元是具有微孔-介孔结构的钛酸钙纳米片，综合了三维有序大孔结构、等级孔结构、二维纳米片层结构的优势，可表现出优异的光催化性能。

本发明实现上述目的，本发明采用的有益效果为：

一种多孔纳米片构筑的三维有序大孔钛酸钙光子晶体，它呈多孔纳米片状钛酸钙构筑的三维连续有序大孔结构，大孔尺寸在150～550nm范围内连续可调，所述多孔纳米片状钛酸钙中含有介孔和微孔，介孔尺寸为8～12nm，微孔尺寸为0.5～0.6nm。

上述一种多孔纳米片构筑的三维有序大孔钛酸钙光子晶体的制备方法，采用胶晶模板法，具体包括如下步骤：

1)制备单分散的聚苯乙烯胶晶：在三口烧瓶中加入苯乙烯、去离子水，加热搅拌，加入引发剂过硫酸钾并通入保护气体，将得到的聚苯乙烯乳液进行旋蒸处理后，得单分散的聚苯乙烯小球；然后置于烘箱中进行自然沉降组装，得单分散的聚苯乙烯胶晶；

2)前驱体配制：配置硝酸钙的乙醇溶液，加入硝酸调节其pH值使体系维持酸性，抑制后续加入的钛酸异丙酯的水解，然后在搅拌条件下缓慢加入钛酸异丙酯，待所得混合液温度降至室温，加水得前驱体溶胶；

3)模板填充：将所得聚苯乙烯胶晶模板置于布氏漏斗中，加入前驱体溶胶并浸没聚苯乙烯胶晶模板，使前驱体溶胶中的液体流经聚苯乙烯胶晶模板进行填充；

4)重复步骤3)所述填充步骤，保证模板小球空隙得到充分填充；