中空结构纳米TiO2微球的可控制备

纳米TiO_2作为一种氧化还原能力强、化学性质稳定、来源广泛和环境友好的多功能材料,被认为是非常有前景的半导体光催化材料之一。在各种形貌的纳米TiO_2中,中空结构TiO_2微球因具有密度低、比表面积大、渗透性好和稳定性高的特点而受到越来越多研究者的青睐。寻求工艺简单、重复性好和产物形貌可控的中空纳米TiO_2微球的制备方法显得尤为重要。中空纳米TiO_2微球的制备方法根据制备原理可分为溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法、喷雾干燥法和层层自组装法等;根据制备过程中是否加入模板剂又可分为硬模板法、软模板法和无模板法。本文针对硬模板法、软模板法和无模板法进行了综述。其中,硬模板是最早应用于中空TiO_2微球制备的方法,最终所得中空TiO_2的形貌、空腔大小和表面所带电荷与所用模板剂种类密切相关。目前常用的模板剂有三大类,包括聚合物、碳球和无机氧化物。而在制备模板剂过程中需要消耗大量的时间和有机溶剂,造成成本升高和环境污染。软模板法是目前最高效的一种制备方法,其制备机理与硬模板法较为相似,主要区别在于模板剂的选择上,前者的模板剂大多为刚性较强的无机粒子,而软模板剂通常为乳液液滴、超分子胶束、聚合物聚集体/囊泡等强度较低的气体或者液体。相比于硬模板法其最明显的优势在于后期对于模板剂的去除较为容易,不需要高温处理,多次洗涤即可除去,因此具有效率高、工艺简单等优势。无模板法是一种最具应用潜力的中空TiO_2微球制备方法。此法大多为一步反应,因此其可控性较差,尚未实现大范围应用与生产。但是,该法具有制备步骤少、成本低和产率高等优势,在后期的批量生产和规模化制备中空TiO_2微球方面具有潜在的优势。目前,对于中空纳米TiO_2微球的研究除了有效且成熟的制备工艺外,其高效的光催化性能也是研究者追求的目标。笔者认为通过以下三方面可以进一步提高中空纳米TiO_2的光催化性能:其一,多种半导体材料的复合可拓宽其在可见光下的响应区域;其二,非金属阴离子(氮、碳)或金属(铁、铜)离子参杂等可提高光诱导二氧化钛电子空穴对的分离效率;其三,金属氧化物的表面修饰或双原位聚合改性等多种手段共同作用可降低电子-空穴对的重组。延长光生载流子的寿命、提高光催化活性将成为今后中空TiO_2微球研究的重点。