介孔二氧化钛二氧化硅的表面活性剂诱导制备及其微结构研究

1、介孔二氧化钛、 二氧化硅的表面活性剂诱导制备及其微结构研究近年来, 介孔二氧化钛、二氧化硅材料因其在光伏太阳能电池、 抗反射涂层、分子包装、吸附剂、催化剂和催化载体、低介电常数材料、化学传感器、分离膜和主体-客体化学等方面的应用前景 ,而吸引了研究学者的浓厚兴趣。然而 , 这些实际应用得益于高度有序的结构和高孔隙率 , 所以对其孔形态的调制尤为重要。以表面活性剂作为结构导向剂是将纳米尺寸的孔洞引入到材料中的有效方法。在这种方法中 , 表面活性剂的含量是决定形成的孔结构的最重要的因素之一。另外,孔结构也受热处理方式的影响。 在本文中 , 制备了不同系列的多孔材料 ,如二氧化钛粉体 /薄膜、二氧化

2、硅薄膜 , 并系统地研究了表面活性剂及热处理对这些多孔材料的调制作用 ,主要表现在： 1、以非离子型两亲性三嵌段共聚物F38为结构模板 , 采用溶胶 -凝胶的方法合成了不同介孔结构的二氧化钛粉末。系统地研究了二氧化钛的介孔结构随模板剂含量及煅烧处理的演变。结果表明, 聚合物模板及煅烧处理对合成的介孔二氧化钛的调制起着重要的作用, 如形态、晶粒尺寸、晶相、孔隙率以及比表面积等。在本文的研究中 , 二氧化钛的锐钛矿相向金红石相转化的临界核尺寸极可能发生在26-3Onm之间。取决于模板剂的含量,形成了两种类型的介孔，即晶粒间隙和模板化介孔。由较低含量的F38制备的二氧化钛的孔隙率归因于晶粒间隙；而由

3、较高含量的F38制备的二氧化钛因形成了模板化介孔，而具备较高的比表面积。2、以共聚物F38为结构导向剂，采用溶胶-凝胶法和旋涂技术制备了可调的介孔二氧化钛薄膜。研究了聚合物模板的含量对介孔二氧化钛薄膜的结晶、介孔形态、孔隙率、表面结构的影响。随着共聚物模板含量的增加 ,孔隙率随之增加。当F38的重量比达到约15wt%寸,孔连通成蠕虫状。还研究了介孔二氧化钛 薄膜中的正电子湮没特性。正电子湮没线型参数S随着F38含量的增加而逐渐减小，表明二氧化钛薄膜 的结晶程度随着共聚物F38含量的增加而逐渐增加。随着F38含量的进一步增加到25wt%,S参数增加，暗示着可能在连通而成蠕虫状的长孔中形成了电子偶

4、素Ps,而仲态电子偶素p-Ps的自湮没导致了 S参数的增加。由S参数与W参数之间的关联和电子偶素3丫湮没分数,均表明介孔结构的 改变发生在F38含量为20wt%处。3、以非离子型两亲性三嵌段共聚物 F127为结构模板剂 , 采用溶胶-凝胶方法和提拉技术制备了不同孔隙率的介孔二氧化硅薄 膜。对于介孔二氧化硅薄膜 ,正电子湮没线型参数的变化和折射率的减小 ,揭示了二氧化硅薄膜的孔隙率随着添加的 F127含量的增加而增加。当F127含量增加到约15wt%寸,二氧化硅薄膜中的电子偶素 3丫湮没分数急剧增加，说明多孔二氧化硅薄膜中的孔连通发生在F27含量约为15wt%处。原沉积薄膜和煅烧后的薄膜的正电子

5、湮没线型参数S和W之间的线性关系不同, 意味着煅烧过程中原沉积薄膜中共聚物致孔剂的分解去除。这也揭示了正电 子湮没位随F127含量的或孔隙率的变化。得到了孤立孔的介孔二氧化硅薄膜的电子偶素 3丫湮没分数、S参数及孔隙率之间的强关联性 ,可能为确定介孔二氧化硅薄膜的闭孔孔隙率提供了一种补充的测量方法正电子湮没辐射多普勒展宽谱。采用溶胶 -凝胶法,分别以 F88和F127为结构导向剂,合成了笼状孔结构的二氧化硅薄膜,用F38制备了具有随 机通道状孔的二氧化硅薄膜 , 并对这些薄膜进行硅烷化处理 ,使其孔表面改性。用传统的技术很难确定介孔二氧化硅薄膜中的笼状孔的入口孔径。 在本文中 提出了一种简单的

6、方法基于慢正电子束的正电子湮没寿命谱。因为介孔二氧化硅中Ps的性质,几乎没有Ps在更小的笼状连接通道中湮没。通过二氧化硅甲基硅烷化后，相当一部分Ps可以在通道中被捕获并在其中湮没， 为由通道中的Ps寿命估算入口孔径提供了可能。4、以阳离子型表面活性剂CTAE为模板剂,采用溶胶-凝胶过程和提拉技术制备了多孔二氧化硅薄膜。结果表明如下：(1)可以通过改变CTAB勺重量比而改变 二氧化硅薄膜的纳米孔结构；(2)原沉积薄膜的正电子湮没位受CTAB!量比的影 响,因为CTAB重量比导致薄膜中成分比例的改变；(3)对于煅烧薄膜,其纳米孔结 构改变发生在CTAB勺重量比约为15wt%处,即当CTAB含量低于

7、约15wt%寸，薄膜 中为孤立的孔，而当CTAB含量达到约15wt%寸，薄膜中的孔是相互连通的。研究了阶梯式多步热处理对 CTAB二氧化硅复合薄膜结构的演变。 取决于薄膜的物理化学特性，在相续热处理过程中薄膜的正电子湮没线型参数S和w落在两条不同的代表性直线上，揭示了从200C到300r的连续热处理过程中，薄膜中 的表面活性剂被分解去除 ,在薄膜中形成了多孔结构。采用阶梯式温度递进的热处理方式在较低的温度(300 r)形成的薄膜中的S参数，与在450r步法煅烧处理得到的S参数相当。而且，多孔薄膜的结构在较 低温度下热处理过程中发生了重组。在较低的温度下连续热处理的样品在低谷区域的S参数显著减小，可能与在基板附近的CTAB二氧化硅纳米复合体在低温下热处理过程中发生重组有关。CTAB为模板制备的多孔二氧化硅薄膜,在基于慢正电子束的正电子湮没多普勒测量中,同一薄膜绕束流轴线旋转90 ,两次测量的线型W参数明显变化,且随着CTAB含量的增多,w参数的差值更加明显,由于Ps动量在管状连通纳米孔中的各向异性,该结果意味着在高CTAE含量的薄膜中可能逐渐形成了更加有序的管状、 连通孔阵列