一种双层三维仿生消反射复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种双层三维仿生消反射复合材料及其制备方法，属于材料学领域。本发明专利技术首先通过软压印技术，在玻璃的正反两面分别构筑三维金字塔结构的TiO2，然后再原位生长聚吡咯(PPy)，形成具有人造蛾眼结构的p‑n异质结和仿生消反结构的(PPy/P‑TiO2/G/P‑TiO2/PPy)消反射复合材料，为光催化剂的结构设计提供了一种新的思路。本发明专利技术消反射复合材料能够高效催化有机染料的降解，具有优异的消反射性能和光催化活性，且制备方法简便，工业前景非常好。

【技术实现步骤摘要】
一种双层三维仿生消反射复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种双层三维仿生消反射复合材料及其制备方法，属于材料学领域。
技术介绍
锐钛矿型TiO2由于具有较高的光催化活性、稳定性好、价廉无毒等特点，被各国科学家进行了广泛而又深入的研究，如光催化、染料敏化太阳能电池、锂离子电池、传感器、光电化学电池等领域。纳米TiO2的带隙能约为3.2eV，禁带宽度较大，因而仅在200-400nm波长范围内对光有吸收，造成太阳能的利用率较低。为了解决这一瓶颈问题，已有研究工作通过各种手段改变TiO2材料的表面或整体性质，如掺杂金属和(或)非金属原子，等离子共振(如Au，Ag等)，量子点敏化和窄带隙半导体复合等。用窄带隙半导体改性的TiO2时会在它们的界面形成异质结，增强了它们的电子和空穴的分离性能和扩大光谱吸收范围。在太阳能利用效率方面，除了解决锐钛矿型TiO2禁带宽度问题，还需要关注入射光吸收效率问题。在光电材料或者器件的表面构筑消反射膜可以大幅度降低材料的界面反射，增加材料的光吸收效率。消反射膜主要分为单层膜法、多层膜膜法和微结构法。其中微结构法可以克服单层膜法和多层膜法的缺陷(如宽光谱范围内的减反射)而得到了广泛的应用。利用软压印技术在器件的表面构筑微结构(如ZnO纳米阵列，TiO2纳米阵列等)增强光电器件对光的吸收，提高太阳能的转换效率，但由于其只在透明基底的一个表面构筑了一层2D光栅结构，使得器件对光的减反射效果十分有限，从而限制了太阳能转化效率的进一步提高。
技术实现思路
为了解决上述问题，提高太阳能转化效率，本专利技术首先通过软压印技术，在玻璃的正反两面分别构筑三维金字塔结构的TiO2，然后再原位生长聚吡咯(PPy)，形成具有人造蛾眼结构的PPy/TiO2双层三维仿生消反射复合材料。本专利技术双层三维仿生消反射复合材料的仿生蛾眼结构中发生折射的两种介质的比例发生渐变，会使表面的折射率从空气到基底实现一个逐渐递变的过程，实现优异的消反射，从而达到一个高吸光的效果。本专利技术首先利用单晶硅在碱性溶液中发生各向异性刻蚀的特性，制备具有金字塔结构的硅模板；然后将PDMS预聚体浇筑在其表面，固化后得到与硅模板结构互补的PDMS模板；将PDMS模板压在滴有TiO2溶胶的洁净玻璃表面，随着溶剂的慢慢挥发，溶胶中的钛酸四正丁酯预聚体之间进一步缩聚，最后形成无定型的TiO2，同时由于PDMS模板的限域作用，使得TiO2在玻璃的表面形成与PDMS模板互补的金字塔结构；然后将TiO2煅烧使其转化成锐钛矿型TiO2，提高TiO2的光催化能力；最后在TiO2金字塔表面复合一层导电高分子PPy，进一步提高材料的光谱吸收范围和光生载流子的分离效率，最终得到具有高光催化能力的双层三维仿生结构PPy/TiO2复合材料(如图1所示)。本专利技术的第一个目的是提供一种消反射复合材料，所述消反射复合材料具有双层三维仿生结构，包含金字塔结构的二氧化钛和金字塔表面的聚吡咯。在本专利技术的一个实施方式中，所述消反射复合材料的制备方法包括：(1)具有金字塔结构的二氧化钛的制备：预先制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板，然后在PDMS模板压上加入TiO2溶胶，挥发溶剂、煅烧，即得金字塔结构的二氧化钛；(2)含表面聚吡咯的消反射复合材料制备：吡咯在金字塔结构的二氧化钛上原位生长，得到含表面聚吡咯的具有双层三维仿生结构的消反射复合材料。在本专利技术的一个实施方式中，所述PDMS模板的制备方法包括：硅片在碱性溶液中刻蚀得到具有金字塔结构的硅模板，然后将二甲基硅氧烷前驱液倒入硅模板之上，固化后得到与硅模板结构互补的PDMS模板。在本专利技术的一个实施方式中，所述碱性溶液包括氢氧化钾、异丙醇中的一种或两种。在本专利技术的一个实施方式中，所述硅片制备硅模板时的刻蚀温度为60-100℃。在本专利技术的一个实施方式中，所述硅片制备硅模板时的刻蚀时间为20-60min。在本专利技术的一个实施方式中，所述PDMS模板的制备方法还包括将二甲基硅氧烷前驱液倒入硅模板之上，抽真空、固化，最后将硅模板和PDMS进行剥离，得到PDMS模板。在本专利技术的一个实施方式中，所述钛源包括钛酸正丁酯、四氯化钛和钛酸异丙酯中一种或多种。在本专利技术的一个实施方式中，所述二氧化钛溶胶中的钛源的体积含量为15％-30％。在本专利技术的一个实施方式中，所述溶剂包括无水乙醇。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤(2)是在三氯化铁溶液中进行的。在本专利技术的一个实施方式中，吡咯在TiO2的表面原位生长10-20min，即可得到含表面聚吡咯的具有双层三维仿生结构的消反射复合材料。本专利技术的第而二个目的是提供一种光催化降解有机染料的方法，所述方法是利用上述的具有双层三维仿生结构的消反射复合材料作为光催化剂。本专利技术的第三个目的是提供一种光电材料或者器件，其特征在于，所述光电材料或者器件包含上述的消反射复合材。本专利技术的有益效果：(1)由于光电材料和器件的表面存在界面反射，限制了其对太阳能的转化效率，本专利技术复合材料在玻璃正反表面构筑TiO2金字塔结构，获得减反射层，然后在金字塔表面负载导电高分子聚吡咯纳米粒子，从而成功制备了具有双层仿生结构的P-N异质结复合材料，具有优异的消反射性能和光催化活性。(2)本专利技术采用软压印技术和原位氧化方法构建双层结构，成功地在玻璃的表面制备了具有p-n异质结和仿生消反射结构的复合涂层(PPy/P-TiO2/G/P-TiO2/PPy)，由于PPy和P-TiO2之间的p-n异质结和微纳米复合结构，使得双层PPy/P-TiO2/玻璃具有良好的消反射性能以及光催化性能，这为光催化剂的结构设计提供了一种新的思路。(3)本专利技术复合材料作为光催化剂，催化活性较佳，可以是实现高效催化降解有机染料，光照时间达到4h时，染料几乎完全降解。附图说明图1为双层三维仿生结构PPy/TiO2复合材料制备示意图；图2为双层三维仿生结构PPy/TiO2复合材料的SEM图谱，其中(A)、(C)为在玻璃上压印的TiO2金字塔结构(P-TiO2/G)的SEM图谱，(B)为在玻璃上压印的TiO2金字塔结构(P-TiO2/G)的局部放大图，(D)为TiO2金字塔上负载PPy(PPy/P-TiO2/G)的局部放大图，(E)、(F)为非图案化PDMS进行压印的平面TiO2(F-TiO2/G)SEM图，其中P为PDMS模板，G为玻璃；图3为双面F-TiO2/玻璃(F-TiO2/G/F-TiO2)、双面PPy/P-TiO2/玻璃(PPy/P-TiO2/G/P-TiO2/PPy)等不同复合材料组合形式的玻璃面的反射光谱，其中F-TiO2是指非图案化PDMS进行压印的平面TiO2，P-TiO2是指无双层微观结构PPy的金字塔二氧化钛；图4为双面F-TiO2/玻璃(F-TiO2/G/F-TiO2)、双面P-TiO2/玻璃P-TiO2(P-TiO2/G/P-TiO2)、双面PPy/P-TiO2/玻璃(PPy/P-TiO2/G/P-TiO2/PPy)等不同复合材料组合形式的玻璃面的透射光谱；图5为双面F-TiO2/玻璃(F-TiO2/G/F-TiO2)、双面P-TiO2/玻璃P-TiO2(P-TiO2/G/P-TiO2)、双面PPy/P-TiO2/玻璃(PPy/P-TiO2/G/P-TiO2/P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种消反射复合材料，其特征在于，所述消反射复合材料具有双层三维仿生结构，包括金字塔结构的二氧化钛和金字塔表面的聚吡咯。

【技术特征摘要】
1.一种消反射复合材料，其特征在于，所述消反射复合材料具有双层三维仿生结构，包括金字塔结构的二氧化钛和金字塔表面的聚吡咯。2.根据权利要求1所述的消反射复合材料，其特征在于，所述消反射复合材料的制备方法包括：(1)具有金字塔结构的二氧化钛的制备：预先制备聚二甲基硅氧烷模板，然后将聚二甲基硅氧烷模板压在滴有二氧化钛溶胶的玻璃表面，挥发溶剂、煅烧，即得金字塔结构的二氧化钛；(2)含表面聚吡咯的消反射复合材料的制备：三氯化铁溶液中，吡咯在金字塔结构的二氧化钛上原位生长，得到含表面聚吡咯的具有双层三维仿生结构的消反射复合材料。3.根据权利要求2所述的消反射复合材料，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷模板的制备方法包括：将硅片在碱性溶液中刻蚀得到具有金字塔结构的硅模板，然后将二...

【专利技术属性】
技术研发人员：石刚，李新，李赢，王大伟，王利魁，倪才华，桑欣欣，朱海燕，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32