介孔二氧化钛功能纳米材料的合成与应用

金属氧化物纳米材料根据结构的多样性、形貌的丰富性、性能可调变特点得到了广泛的应用，并为其应用研究和基础研究带来了更为广阔的研究空间，近几年来，研究者们逐渐发展了很多方法，对金属氧化物的世界进行了在探究和创造，其中的高效、简单的调控金属氧化物纳米材料形貌的方法逐渐的被发掘出来，纳米介孔材料的制备科学，在现今的纳米材料科学研究中占据着非常重要的地位。纳米介孔材料的合成与制备主要包括:块体以及薄膜材料和颗粒的制备;新的材料制备过程以及新的材料制备工艺的研究与控制，对纳米材料的性能和微观结构有着十分重要影响。基于这个前提，对于介孔二氧化钛功能纳米材料的合成与应用的探究与分析就显得尤为具有必要性。

1 综合性理论研究

1.1 介孔二氧化钛概述

介孔材料由于孔径均一以及丰富的形貌的特点，在催化和吸附领域得到较为广泛应用。相关研究中，研究者利用阳离子型季铵盐表面活性剂作为为模板剂，合成了出了M41S系列的介孔材料。在M41S系列介孔材料中，层状结构(MCM-50)和立方相(MCM-41、MCM-48)都是较为典型的介观结构。本文查找有关文献对这些材料的所属晶系以及孔道结构特征进行了了解，发现了一类如MSU、HMS以及KIT等低有序的介孔材料，它们的分子或者原子结构特征都是是均一的孔径，孔壁组成为无定型，而且孔道排列呈现出一定程度的无序性，然而，这些介孔材料的一维孔道在彼此交叉的过程中，呈现出了具有一定规则的三维立体交叉排列的蠕虫状孔道结构，这样一来客体分子就更加方便的在其孔道内进行扩散，介孔二氧化钛的孔壁晶化更加方便，在晶化的过程中会导致二氧化钛介孔的有序性不断地降低，甚至完全坍塌。所以，同时兼备锐钛矿相孔壁和有序介孔孔道的稳定性质的介孔二氧化钛，才是现今研究、应用最理想的催化剂[1]。

2 介孔二氧化钛功能纳米材料的研究意义

首先，由于介孔二氧化钛具有高比表面积，发达有序的孔道结构，而且，孔径尺寸在一定条件下是可以协调的，主要是它的表面易于改性等特点，可以有效的促进二氧化钛的光催化，以及光电转换等功能得以实现，研究这一材料可以有效的提高我国的航天和生物材料、空气净化等领域的技术，使我国在这些领域取得巨大的突破，这一材料的研究成果可以应用到生活的方方面面，从而一定程度上提高了人们生活的品质，使得人们的生活更加便利[3]。

其次，国内专家对介孔二氧化钛功能纳米材料的研究可以进一步提升在世界该类研究领域的地位，为以后的技术发展奠定良好的基础，弥补世界研究领域的缺憾。另外，应该注意总结和解决制备材料中的科学问题，例如如何控制纳米材料颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、团聚和解团聚等问题的解决和控制，这对于获得高质量的纳米材料和纳米固体有一定的指导意义。

3 方法研究

3.1 介孔二氧化钛方法研究

因为二氧化钛在材料科学领域具有重要的应用价值，目前最主要的研究方法是水热法、溶剂热法、模板法、溶胶凝胶法等合成方法实现了对二氧化钛结构与形态的控制[4]。

3.1.1 水热分解法

主要是采用两步水热法合成二氧化钛介孔球，首先是反应过程中将乙酸钛与乙二醇混合均匀，将此混合液加到丙酮与水的混合液中得到前驱体，最后将前驱体在加热条件下回流，即可得到二氧化钛介孔球。在利用水热法分解二氧化钛介孔材料的过程中，由于含钛的前驱体对反应体系中的水较为敏感，从而导致水解速度过快，所以得到的反应物往往是不规则的形态，从而由于颗粒的严重聚集，得不到分散较优的结构，在此基础上，模板法和溶剂热法便在这种情况下出现。

3.1.2 模板法

模板法一般分为软模板法和硬模板法。主要以软模板法为例研究，采用软模板法可以得到二氧化钛介孔球其具体步骤是以有序的二氧化硒小球为模板，将模板侵湿在甲基丙烯酸甲酯溶液中，利用HF溶液将内部将二氧化硒小球刻蚀，剩下的聚甲基丙烯酸甲酯的网眼，再将聚甲基丙烯酸甲酯的网眼侵湿在含钛前驱体中，最后将所得的产物在400摄氏度的空气中煅烧就可以得到二氧化钛介孔小球[5]。

利用模板法合成二氧化钛材料，最后一步都是对模板剂的除去，利用煅烧法除去模板剂，有利于结晶性的提高，但是不利于最后的材料成型，而利用化学溶剂进行除剂，会造成材料结构发生变化，从而使样品受到污染。

3.1.3 溶剂热法

溶剂热法既能克服水热法水解过快的缺点，也能克服模板法除去模板剂的复杂等缺陷，一般使用的溶剂主要有单一溶剂和混合溶剂两种，在利用溶剂热法的时候，一般是将一种或几种的前驱体溶解在有机溶剂中，虽然这种方法相对简单易于控制，但是前驱体在有机溶剂中的形式却不是很乐观。

3.2 纳米二氧化钛掺杂方法分析

二氧化钛是紫外线光响应的光催化剂，所以二氧化钛对可见光的吸收相对较弱，因此制造光催化剂就变得尤为重要。目前使用较多的是对二氧化钛材料进行掺杂，包括金属掺杂和非金属掺杂、共掺杂以及贵金属负载等，利用这种方法可以得到结晶性好、电子-空穴复合率低和具有可见光响应的二氧化钛。

因此利用不同的合成方法，可以得到不同形貌的二氧化钛的材料，如纳米球、纳米管、纳米线以及三维的微球结构等新材料。这些新的材料被应用到了太阳能电池和锂离子电池、生物技术、污水处理等方面，并且取得了良好的经济和社会效益[6]。

3.2.1 金属掺杂

对二氧化钛进行金属掺杂，同样可以达到减小带隙宽度的目的。在金属掺杂的试验中，掺杂后可以改进纳米晶体在非极性溶剂中的溶解度和分散性，使得二氧化钛的材料的精密度进一步提高，使得分解出的纳米材料更好的被应用到航空和航天类高精密度的行业中。

3.2.2 非金属掺杂

因为二氧化钛具有较大的带隙能，对可见光的反应较差，因此可以通过二氧化钛的非金属掺杂，让非金属元素参与到二氧化钛的导带的杂化中，从而可以有效的解决导带和价带之间的能量差，最终研制出可见光感应的催化剂。

3.2.3 共掺杂

对二氧化钛进行单一元素的掺杂，只能在一定程度上增大二氧化钛的价带能或者减小其导带能，从而减小二氧化钛的带隙宽度，最后将其改性为可见光感应的催化剂，然后，可以同时对二氧化钛价带和导带能进行处理，使二氧化钛价带能级顶部增大，同时使其导带能级底部降低，所以，对二氧化钛进行多种元素共掺杂的研究和探索就出现了。对二氧化钛材料进行共掺杂的研究在不断更新，可以进一步归纳为:金属-金属共掺杂，金属-非金属共掺杂以及非金属-非金属掺杂[7]。

4 介孔二氧化钛的应用方向

近几年来，我国加大了对二氧化钛技术的研究力度，介孔二氧化钛纳米材料得到了广泛的应用和普及，渐渐影响了人们的日常生活和工作，强力推动了相关产业的发展步伐，其中面积体积大，孔分布广且均匀是二氧化硅纳米材料最为突出的特性，在这种研究背景下，相关的工作人员进行了大范围的研究活动，并生产出了依附离子、锂离子及太阳能电池，光催化剂等专业应用技术。

4.1 光催化剂

光催化剂主要的应用原理是电子空穴对，良好的量子运作效率和完全无毒无害是它的主要特点，由于二氧化钛具有比较高的稳定性，针对这种物理化学特性，利用相关光子的激发，成为电子，在这个过程中当催化剂被来自光子的能量进行大幅度吸收时，充分利用这一部分的能量大于间隙的空间，用强光照射半导体，从而刺激其产生电子空穴对现象。这种过程的主要目的是可以自主自发的与表面吸附的物体发生还原氧化反应，这种技术经常被应用在杀菌或者是杀毒方面。经过现代专业的专家学者相关研究发现，二氧化钛材料经过相关的金属掺杂技术的应用和实践，将大幅度影响可见光性的二氧化硅化学反应。

4.2 太阳能电池技术

现阶段，很多的介口二氧化硅纳米材料在光敏性的太阳能电池方向得到了广泛地应用，这一部分得到了很多专家学者的关注，首先在光敏性太阳能材料的选择上，更大的体表面积和节能上面具有有序性是其考虑选择的前提条件，它的主要发展技术最大程度上将太阳的光能转为电能，二氧化硅材料的好坏将直接影响其转化率的高低，也决定了太阳能电池技术的整体水平，目前在这种应用中，具有相互性和连通性的介孔二氧化硅薄膜最为人们普遍使用。在我国青海和宁夏等地区，利用太阳能光进行发电，全面服务于人们的生活和工作中，保证了发电的质量和效率，太阳能电池技术不仅仅反映了中国科学的进步，还推动了整体二氧化钛纳米技术的发展步伐，为实现中国能源的可持续发展提高根本动力[8]。

4.3 锂离子电池技术

由于介口二氧化硅纳米材料的自身特色，锂离子电池技术应运而生，首先这种技术具有体积小，容量大的特点，具有比较低的毒性，因此被广泛的应用和普及，这种锂离子电池技术成本小，效率高，在生产过程中简单安全，经过大量的用户使用，获得了普遍的好评，在制作过程中可以根据自身要求来进行电压设计，制成各种容器。

4.4 离子吸附

介口二氧化硅材料近几年被专注于我国的脏污水处理方面，主要是将介口二氧化硅的化学物质与其他化合物发生反应，将水中的化合物进行吸附交换，从而将脏水中的砷化合物进行处理，最终达到离子吸附清洁的目的。

5 介孔二氧化钛应用研究展望

通过以上具体的研究我们可以看出，介孔二氧化钛纳米材料在我国得到了快速的发展和广泛的应用，介孔二氧化钛纳米材料通过相关过程的掺杂，以及合成得到了深度的研究，从传统意义上来说，模板法、凝胶溶胶、溶剂、水热法等等，是其主要采用的合成方法，采用的合成方法不同导致二氧化钛最终表现的面貌不同。通过二氧化钛材料自身的性能因素，我们可以看出，国内的研究产物主要应用为锂离子电池，有无有害物质处理，太阳能电池，和光催化剂等等，在人们的生活和工作的方方面面都有不同程度的影响，将这些技术得以深度的研究和开发，最终对社会经济和科学文化的进步有积极的促进作用。其次，二氧化钛纳米技术在人们的医学和建筑方面都有一定的造诣。例如，先进的介孔二氧化钛纳米技术对人类移植血管，支架血管，和人造器官方面具有良好的应用，可以在一定程度上阻碍增殖细胞的发生，最后介孔二氧化钛可以应用于光催化和消灭细菌的技术之中，在一定程度上减少了室内材料危险的发生，保证了安全性，其次，介口二氧化钛纳米技术在生物和保护生态方面发挥着积极的作用。国内相关纳米技术研究者认为，对纳米材料展开研究，就一定要将纳米材料的表征研究和纳米材料的制备科学放在首先考虑的前提。作为物理问题，对制备科学本身的概念以及流程应该进行深入的研究，对于制备材料中出现的科学问题应注意及时的进行解决和总结。

6 结论

纳米技术是世界科技产业改革发展的重中之重，不同表现形式的介口二氧化钛纳米材料在实际生活工作中有不同方面的应用，随着我国对科学技术研究的加大力度，介口二氧化钛纳米材料在完善的科学手段的基础上，创立了更为先进的技术设备，利用现有的设备自组装，水热法等五个常规技术，对其进行更加科学化的创新，推进了介口二氧化钛纳米材料应用的研究发展步伐，在高科技的发展领域中占有举足轻重的地位，它是连接人们科学技术沟通的桥梁，也是人们改变社会，改变生活的有效工具，本文以介口二氧化钛纳米材料的主要内容为基础，简要分析了纳米材料未来的发展前景，希望能对以后相关的科学技术研究提供参考性意见。

[1]Kresge C T，Leonowicz M E，Roth W J，et al.Ordered me-soporous molecular sieves synthesized by a mechanism[J].Nature，1992，359∶710.

[2]Soler-Illia G J de A A，Louis A，Sanchez C，et al.Synthesisand characterization of mesostructured titania-based mate-rials through evaporation-induced self-assembly[J].ChemMater，2002，14∶750.

[3]Stone V F，Davis R J，et al.Synthesis characterization，and photocatalytic activity of titania and niobia mesoporous mo-lecular sieves[J].Chem Mater，1998，10∶1468.

[4]徐如人，庞文琴，于吉红等.分子筛与多孔材料化学[J].北京:科学出版社，2011(01):156-157.

[5]田从学，张昭.工业硫酸氧钛合成有序介孔TiO2及其机理研究[J].无机材料学报，2009，24(2):225

[6]崔正刚，殷福珊.微乳化技术及应用[J].中国轻工业出版社，2013(9):23-26.

[7]钱逸泰，朱英杰，张曼维等.微米纳米科学与技术，1995，1(1):27.

[8]许荔芬.半导体材料的电化学制备、形貌调控和性能研究[J].北京:北京大学，2010(6):321-324.