多层壳囊泡状介孔TiO2及其异质结构的可控构筑与性能

Vesicular mesoporous TiO2 with well-defined multilamellar shells (3–4 layers or 5–7 layers), tunable interlamellar void (5–10 nm or 2–6 nm) and shell thickness (5–10 nm or 2–4 nm) can be fabricated respectively, using vesicle soft template based on didodecyldimethylammonium bromide (or dihexadecyldimethylammonium bromide, dioctadecyldimethylammonium bromide) and cetyltrimethylammonium bromide (or β-cyclodextrins, poly(ethylene glycol)-block-poly(propyleneglycol)-block- poly(ethylene glycol) and sodium dodecyl sulfate) or multilamellar vesicular SiO2 hard template. ZnO(or NiO and CeO2)/vesicular mesoporous TiO2 heterojunction will be synthesized by hydrothermal and precipitation methods using vesicular mesoporous TiO2 as carrier. The load amounts of transition metal oxides in heterojunction can be adjusted. Comparing with traditional TiO2 nanoparticles, vesicular mesoporous TiO2 and its heterojunction composites have unique curvature, enhanced photocatalytic activity and electrochemical performance, which can be used as photocatalyst, supercapacitor and lithium ion battery. The number of layers, interlamellar void and shell thickness of vesicular mesoporous TiO2 as well as the load amounts of transition metal oxides in heterojunction will have significant influence on the application performance.

本项目将分别以双十二烷基二甲基溴化铵(或双十六烷基二甲基溴化铵、双十八烷基二甲基溴化铵)与十六烷基三甲基溴化铵(或β-环糊精、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯、十二烷基硫酸钠)两种表面活性剂形成的囊泡聚集体为软模板或以不同层数囊泡状介孔SiO2为硬模板，构筑层数多(3–4层、5–7层)、层间距(5–10 nm、2–6 nm)和壳厚度小(5–10 nm、2–4 nm)可调控的稳定囊泡状介孔TiO2。以囊泡状介孔TiO2为载体，用水热法和沉淀法构筑囊泡状介孔TiO2与ZnO(或NiO、CeO2)构成的异质结构， ZnO(或NiO、CeO2)的负载量可调控。与传统形貌的TiO2相比，囊泡状介孔TiO2及其异质结构具有弯曲的孔道、更好的光催化活性和电化学性能，可用作光催化剂、超级电容器和锂离子电池材料等，其性能与囊泡状介孔TiO2的层数、层间距、壳厚度及ZnO(或NiO、CeO2)的负载量有关。

根据纳米材料表面异质结构的设计原则，通过溶胶-凝胶法制备了具有p-n异质结构的TiO2/NiO双壳空心球纳米复合材料；TiO2晶型为锐钛矿，NiO的晶型为六方晶型，TiO2/NiO双壳空心球具有较大的比表面积，能为催化反应提供更多的活性位点。利用水热法在酸腐蚀的TiO2纳米棒上成功负载了NiO纳米片，构建了NiO纳米片/TiO2纳米棒p-n异质结构；NiO/TiO2 p-n异质结抑制了光致电子-空穴对的复合，提高了光催化效率。制备了空心SnO2球(HSSs)、空心SnO2@TiO2球(HSTSs)、三维(3D)SnO2@TiO2/石墨烯复合水凝胶、SnO2@TiO2/石墨烯复合气凝胶(HSTGAs)；相较于HSTSs和HSSs，HSTGAs具备更加优异的电化学性能，可归因于3D石墨烯气凝胶与金属氧化物空心结构的独特优势，以及金属氧化物和石墨烯之间的协同效应。. 以十六烷基三甲基溴化铵和双十二烷基二甲基溴化铵为结构导向剂，在不同水热温度下制备了多层TiO2/SiO2囊泡(MTSVs)和单层TiO2/SiO2囊泡(UTSVs)；通过刻蚀SiO2得到具有3D层状结构的花状TiO2分级球(FMTHSs)，FMTHSs可以为Li+提供短的扩散长度、大的电解质–电极接触面积、适应Li+插入/脱嵌的应变。以聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物(P123)聚集体为软模板，制备了TiO2纳米管、钴掺杂TiO2纳米管(Co-TiO2 NT)/RGO，由于Co-TiO2 NT与RGO的协同作用，有效提高了Co-TiO2 NT/RGO的电化学性能。制备了大米状TiO2/石墨烯水凝胶(RTGH)和气凝胶(RTGA)，气凝胶是一种高效的吸附剂，大米状TiO2和石墨烯三维网状结构之间的协同作用能够提高TiO2/石墨烯复合材料的吸附性能和电化学性能。制备了暴露高能晶面{100}和{001}面以及低能晶面{101}面的截断四方双锥TiO2纳米棒，这种表面异质结的存在可以通过载流子优先流向特定的暴露晶面而促进电荷的分离，有利于催化过程的进行。将PVP碳化以增强TiO2的导电性，制备了花状TiO2/C微球，通过水热法将鱼鳞状MoS2负载在TiO2/C微球上；与TiO2/C和纯MoS2相比，TiO2/C/MoS2微球的结构和组成显著提高了材料的比容量和循环稳定性。