双壳层非对称半导体材料及其超组装方法技术

本发明专利技术提供了一种双壳层非对称半导体材料及其超组装方法，该方法包括：步骤一，将模板剂溶解在水中，形成均一的微乳液体系，再加入碳源充分混合搅拌，再将得到的混合溶液置于反应釜中，在140℃‑160℃的烘箱中反应8h‑24h，得到非对称的瓶状开口碳聚合物框架(VPFs)；步骤二，以VPFs为模板，在其外表面和内表面生长均匀的非晶TiO

Double shell asymmetric semiconductor material and its super assembly method

【技术实现步骤摘要】
双壳层非对称半导体材料及其超组装方法
本专利技术属于材料和人工微纳马达领域，具体涉及一种双壳层非对称半导体材料及其超组装方法。
技术介绍
TiO2是目前研究最广泛的半导体氧化物之一，作为一种典型的n型半导体材料，TiO2因其无毒、稳定性好、成本低、表面积大、孔体积大、光电性能优良等优点而成为备受瞩目的光催化剂。其在催化降解、杀菌消毒、光解水产氢等许多能源和环境领域都有着极为广泛的应用。TiO2的光催化性能在很大程度上取决于催化剂的形貌。迄今为止，纳米TiO2材料的制备已经取得了很大的进展。在各类形貌中，多壳层中空结构的TiO2半导体材料越来越受到人们的重视，主要原因在于这独特的多壳层结构有利于光的反复折射及散射，可大大提高光的利用率，从而加速催化剂表面活性中心的催化反应。例如，Li和同事报告，空心TiO2球的光催化活性远高于实心TiO2球。王丹等人报道了多壳层可控空心TiO2球的制备，并且随着TiO2层数的增加，其光散射效应也逐渐递增。近年来，TiO2在微纳马达领域也开始崭露头角，这些基于TiO2的微纳马达能够将光能、化学能等转化为机械能，在环境修复、传感、主动货物运输、能量储存和转换等领域极具应用前景。例如，Jiang等人研究了由不对称镀金的实心TiO2微球组成的JanusTiO2/Au微马达的运动性能，其在3wt％H2O2中的速度高达为30μm/s。官建国课题组报道了锐钛型TiO2-PtJanus实心微球马达在紫外光下纯水中运动速度高达29μm/s。综上，目前所报道的多壳层TiO2材料大多呈对称球形，由于溶液中的反应物不能有效地进入封闭球体的内层，其光催化性能受到很大限制。而非对称材料，尤其是非对称多壳层结构，由于其内外壳层均能与反应溶液接触，可克服多壳层TiO2纳米催化剂的局限性，正受到越来越多的关注。虽然在制备多壳层或不对称TiO2材料方面取得了很大的进展，但对于同时具有不对称和多层结构的介孔TiO2材料的工程化一直是一个巨大的挑战。这可以归结为三个主要原因。(a)TiO2前驱体的水解和缩合速率过快，不易控制；(b)结晶过程中多层结构容易坍塌和聚集，多层结构不易保持；(c)TiO2前驱体在水解和缩合过程中易发生均匀成核，难以实现不对称组装。因此，目前基于TiO2制备的微纳马达大多都是在TiO2对称微球的基础上，局部沉积贵金属等活性材料，构建不对称结构的光驱动微纳马达。此外，目前研究光驱动微纳马达的运动环境主要集中在H2O和H2O2，且光源大多都依赖于紫外光。由于H2O2和紫外光具有生物毒性,很大程度的限制了马达的应用范围。H2O是理想的燃料,然而光驱动微纳马达以纯水为燃料的速度仍有待提升。基于此现状，提高马达在纯水中能量利用效率成为光驱动微纳马达的重大挑战。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种双壳层非对称半导体材料及其超组装方法。本专利技术提供了一种双壳层非对称半导体材料的超组装方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，在水热环境下通过微乳液模板法制备非对称的瓶状开口碳聚合物框架；步骤二，以瓶状开口碳聚合物框架为模板，在其外表面和内表面生长均匀的非晶TiO2层，得到三明治夹层结构的中间体；步骤三，对中间体进行煅烧处理，从而去除瓶状开口碳聚合物框架，得到双壳层非对称半导体材料，其中，步骤一包括：将模板剂溶解在水中，形成均一的微乳液体系，再加入碳源充分混合搅拌，再将得到的混合溶液置于反应釜中，在140℃-160℃的烘箱中反应8h-24h，得到瓶状开口碳聚合物框架，步骤二包括：将瓶状开口碳聚合物框架分散于乙醇中，再加入氨水和钛酸四丁酯，再将上述混合物置于25℃-80℃油浴锅中反应12h-30h，得到中间体。在本专利技术提供的双壳层非对称半导体材料的超组装方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，模板剂由三嵌段共聚物PEO20-PPO70-PEO20和钠盐自组装而成，三嵌段共聚物PEO20-PPO70-PEO20和钠盐的摩尔比为1：(2-32)，钠盐为油酸钠、硬脂酸钠、月桂酸纳中的任意一种。在本专利技术提供的双壳层非对称半导体材料的超组装方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，碳源为核糖、阿拉伯糖、酚醛树脂中至少一种。在本专利技术提供的双壳层非对称半导体材料的超组装方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，模板剂与水的摩尔质量比为0.1275mmol：(40mL-100mL)，碳源与微乳液体系的质量体积比为(1g-1.1g)：(40mL-100mL)。在本专利技术提供的双壳层非对称半导体材料的超组装方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，瓶状开口碳聚合物框架与乙醇的质量体积比为(10mg-100mg)：100mL，乙醇与氨水的体积比为1000：3，氨水的浓度为28wt％，氨水和钛酸四丁酯的体积比为1:(4-12)。在本专利技术提供的双壳层非对称半导体材料的超组装方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤三包括：将中间体置于管式炉中，在空气氛围中，以1℃/min-10℃/min的升温速率从室温升至450℃-600℃进行煅烧处理，从而得到双壳层非对称半导体材料。本专利技术还提供了一种双壳层非对称半导体材料，其特征在于：根据上述双壳层非对称半导体材料的超组装方法制备而成。在本专利技术提供的双壳层非对称半导体材料中，还可以具有这样的特征：其中，双壳层非对称半导体材料为双壳层连续的瓶状结构，具有瓶壁和瓶颈，瓶壁为锐钛矿型，厚度为20nm-120nm，瓶颈的长度为100nm-500nm，双壳层非对称半导体材料的尺寸为400nm-1μm。在本专利技术提供的双壳层非对称半导体材料中，还可以具有这样的特征：其中，双壳层非对称半导体材料的比表面积为20m2/g-65m2/g，孔径为2nm-30nm。专利技术的作用与效果根据本专利技术所涉及的双壳层非对称半导体材料的超组装方法，因为包括：步骤一，水热环境下通过微乳液模板法制备非对称的瓶状开口碳聚合物框架；步骤二，以富含亲水官能团的瓶状开口碳聚合物框架为模板，以有机钛为钛源，以氨水为催化剂，在瓶状开口碳聚合物框架的外表面和内表面生长(沉积)均匀的非晶TiO2层，得到三明治夹层结构的中间体；步骤三，对中间体进行煅烧处理，得到双壳层非对称半导体材料，所以通过本方法能够填补多层非对称氧化物材料的空白，并且制备得到的双壳层非对称半导体材料为尺寸均一的双壳层瓶状结构，其比表面积大，孔径分布范围较宽，光吸收范围可拓展至可见光，这使该材料的光生载流子的传输和分离效率显著提升，进而使得其光电转化效率显著提升。此外，上述超组装方法操作简单，反应条件温和易控，适合放大生产，极具工业化的潜力，在环境、催化、能源、微纳马达和生物医学等领域极具应用前景，尤其是在微纳马达领域应用前景十分广阔。附图说明图1是本专利技术的实施例1中中间体TiO2@VPFs@TiO2的电镜照片，其中，图1(a)为扫描电镜(SEM)照片；图1(b)-图1(d)为透射电镜照片；图2是本专利技术的实施例1中双壳层非对称Ti本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双壳层非对称半导体材料的超组装方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一，在水热环境下通过微乳液模板法制备非对称的瓶状开口碳聚合物框架；/n步骤二，以所述瓶状开口碳聚合物框架为模板，在其外表面和内表面生长均匀的非晶TiO

【技术特征摘要】
1.一种双壳层非对称半导体材料的超组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在水热环境下通过微乳液模板法制备非对称的瓶状开口碳聚合物框架；
步骤二，以所述瓶状开口碳聚合物框架为模板，在其外表面和内表面生长均匀的非晶TiO2层，得到三明治夹层结构的中间体；
步骤三，对所述中间体进行煅烧处理，从而去除所述瓶状开口碳聚合物框架，得到双壳层非对称半导体材料，
其中，步骤一包括：
将模板剂溶解在水中，形成均一的微乳液体系，再加入碳源充分混合搅拌，再将得到的混合溶液置于反应釜中，在140℃-200℃条件下反应8h-24h，得到所述瓶状开口碳聚合物框架，
步骤二包括：
将所述瓶状开口碳聚合物框架分散于乙醇中，再加入氨水和钛酸四丁酯，再将上述混合物置于25℃-80℃油浴锅中反应12h-30h，得到所述中间体。


2.根据权利要求1所述的双壳层非对称半导体材料的超组装方法，其特征在于：
其中，步骤一中，所述模板剂由三嵌段共聚物PEO20-PPO70-PEO20和钠盐自组装而成，所述三嵌段共聚物PEO20-PPO70-PEO20和所述钠盐的摩尔比为1：(2-32)，
所述钠盐为油酸钠、硬脂酸钠、月桂酸纳中的任意一种。


3.根据权利要求1所述的双壳层非对称半导体材料的超组装方法，其特征在于：
其中，步骤一中，所述碳源为核糖、阿拉伯糖、酚醛树脂中至少一种。


4.根据权利要求1所述的双壳层非对称半导体材料的超组装方法，其特征在于：
其中，步骤一中，所述模板剂与水的摩尔质量比为0.12...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔彪，曾洁，谢磊，刘天亿，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31