有序介孔二氧化钛微球阵列光催化薄膜的制备与性能研究

光子晶体类光催化剂因其独特的慢光子效应和多重散射效应有利于提高对太阳光的吸收率，近年来成为光催化领域中的研究热点。常见的光子晶体光催化剂为具有反蛋白石结构的TiO2，但其低填充率限制了光催化活性的提高。本项目利用两步硬模板耦合软模板技术制备具有高填充率和高比表面积的三维有序介孔TiO2亚微米微球阵列薄膜光子晶体光催化材料。首先合成高度有序SiO2蛋白石薄膜并以之为起始模板，制备PMMA反蛋白石，然后以PMMA反蛋白石为第二步模板，三嵌段共聚物表面活性剂为介孔结构导向剂（软模板）制备出三维有序介孔TiO2微球阵列光催化薄膜。通过对该催化剂的微结构（如微球球径、介孔孔径、纳米晶粒尺寸）进行调控，结合催化剂改性（如贵金属沉积、非金属掺杂、金属掺杂），研究光子晶体的带隙带边对光催化性能的影响，并进行优化实验，得到高催化效率的光子晶体光催化材料，为光子晶体光催化的理论研究和实际应用提供重要依据。

光子晶体光催化剂由于其独特的慢光子效应和多重散射效应有利于提高光催化效率，在光降解污染物和光解水制氢等领域具有重要应用前景。常用的光子晶体光催化剂为具有反蛋白石结构的TiO2，但其中TiO2的填充率不到10%，这大大限制了慢光子效应对光催化活性的增强作用。本项目利用硬模板耦合软模板技术制备具有高填充率和高比表面积的三维有序介孔TiO2 亚微米微球阵列薄膜光子晶体光催化材料。我们通过一步法共沉积聚苯乙烯（PS）胶体球和二氧化硅（SiO2）前驱体得到了大面积无裂缝、长程有序的SiO2反蛋白石（大孔纳米网）薄膜。然后以SiO2大孔纳米网薄膜为模板，三嵌段共聚物表面活性剂为介孔结构导向剂（软模板），通过溶胶凝胶法首次制备了高质量三维有序介孔TiO2亚微米微球阵列/SiO2网光子晶体薄膜。我们研究了三维有序介孔TiO2微球/SiO2网光子晶体薄膜的光催化降解有机物性能，并考察了微结构（如：微球尺寸、TiO2填充率、球阵列层数等）对光子晶体带隙带边和光催化性能的影响。发现不同PS球径（285、330、370、550 nm）合成的三维有序介孔TiO2微球/SiO2网光子晶体薄膜在白光条件下（λ≥320 nm）光催化降解罗丹明B（RhB）性能高低顺序为：370 nm>285 nm>550 nm>330 nm，其中370 nm的光降解反应速率是330 nm的2.8倍，体现了慢光子效应对光催化的增强作用。我们还合成了贵金属（Pt、Au）沉积、非金属（N）掺杂以及金属（Fe、Ni）掺杂的三维有序介孔TiO2微球/SiO2网光子晶体薄膜，并考察了其光催化性能，发现最佳的贵金属Pt和Au的沉积量分别为0.4 wt%和0.6 wt%，最佳的N掺杂量是N:Ti=0.2（原子比），最佳的Fe和Ni掺杂量均是2 mol%，它们在可见光（λ≥400 nm）下降解RhB的光降解反应速率分别是未改性样品的2.6、4.8、4.7、4.4倍和3.8倍。本项目开发的具有高填充率的三维有序介孔TiO2微球阵列结构的新型光子晶体薄膜光催化剂，同时结合了介孔结构的高比表面积和大孔结构的高传质速率的优势，可有效增强光利用率和提高光催化效率，具有重要的理论研究与实际应用意义。