一种聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料及其制备方法
专利汇可以提供一种聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种聚苯胺插层 钛 酸盐纳米 复合材料 及其制备方法，属于有机/无机纳米复合材料及其制备技术领域。该纳米复合材料的化学组成为PANI/HxTi2－x/4□x/4O4·H2O。其中PANI为聚苯胺，PANI在该复合材料中所占 质量 分数为7.0％～8.0％；HxTi2－x/4□x/4O4·H2O为质子化层状钛酸盐，□为层板中钛元素空位，x取值范围为0.65≤x≤0.75。该纳米复合材料可将光电响应范围扩展至可见光区，并有效降低光生 电子 和光生空穴的复合几率。将苯胺 单体 通 过酸 基反应插入HxTi2－x/4□x/4O4·H2O层间，同时在 氧 气存在下使层间苯胺发生聚合，可得产品。本 发明 纳米复合材料在光催化、 太阳能 电池 及光电 传感器 等领域具有应用价值。，下面是一种聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料及其制备方法专利的具体信息内容。
1、一种聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料，其特征在于：该纳米复合材料的化学组 成为PANI/HxTi2-x/4□x/4O4·H2O；其中，HxTi2-x/4□x/4O4·H2O为质子化层状钛酸盐，钛与氧 以八面体通过共边、共点形成具有褶皱状的二维层状结构，层板厚度为0.7～1.2nm；x 取值范围为0.65≤x≤0.75；□为层板中钛元素空位，由于层板钛缺失而带有一定量的 负电荷，具有n型半导体性质；PANI为聚苯胺，位于质子化层状钛酸盐 HxTi2-x/4□x/4O4·H2O的层间，PANI在复合材料中所占质量分数为7.0～8.0％，PANI被 HxTi2-x/4□x/4O4·H2O层间的H+所掺杂，具有p型半导体性质；因此聚苯胺插层钛酸盐 PANI/HxTi2-x/4□x/4O4·H2O是一种微观上具有p-n结异质结构的纳米复合材料。
2、一种制备权利要求1所述的聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的方法，其特征在 于，工艺步骤如下：
A.层状钛酸铯的制备：将碳酸铯Cs2CO3和二氧化钛TiO2按照1∶5.1～1∶5.5的摩尔 比混合研磨，混合物在马弗炉中800～900℃下煅烧30～60分钟，待其冷却至室温后研 磨并在800～900℃煅烧20～24小时，待其冷却至室温后再次研磨并在800～900℃煅烧 20～24小时，得到层状钛酸铯CsxTi2-x/4□x/4O4，其中0.65≤x≤0.75；
B.质子化层状钛酸盐的制备：将浓度为1.0～1.5mol/L的盐酸HCl溶液与层状钛酸 铯固体按照50～150mL/g的液固比混合搅拌3～4天，每24小时更换一次1.0～1.5mol/L 的盐酸HCl溶液；产物用二次蒸馏水洗涤过滤至滤液pH值为6～7，得到质子化层状钛 酸盐HxTi2-x/4□x/4O4·H2O，其中0.65≤x≤0.75；将其置于盛有饱和氯化钠NaCl溶液的 干燥器中干燥至恒重；
C.聚苯胺插层钛酸盐的制备：将二次蒸馏水与干燥至恒重的质子化层状钛酸盐固 体按照50～150mL/g的液固比混合，超声10～20分钟获得悬浊液；按照苯胺液体与质 子化层状钛酸盐固体为3.5～5.5mL/g的液固比将苯胺加入到上述悬浊液中，在40～60℃ 下搅拌6～8天，直至悬浊液的颜色变为墨绿色后停止搅拌；将墨绿色的悬浊液在砂芯 漏斗中用二次蒸馏水洗涤过滤至滤液的pH值为6～7；然后用乙醇洗涤过滤，直至滤液 用紫外-可见分光光度计检测无苯胺的特征吸收峰；最后将所得样品在50～70℃真空干 燥，得到聚苯胺插层钛酸盐PANI/HxTi2-x/4□x/4O4·H2O。
技术领域
本发明属于有机/无机纳米复合材料及其制备技术领域，特别涉及一种聚苯胺插层 钛酸盐纳米复合材料及其制备方法。
技术背景
层状钛酸盐是由钛与氧以八面体通过共边、共点形成具有褶皱状二维层状结构且 层间填充阳离子和水分子的阳离子型层状化合物。层状钛酸盐属于二氧化钛的衍生物， 化学性能稳定、环境友好、廉价易得，具有n型半导体的性质，是一种光电转换材料， 在光催化、太阳能电池及光电传感器等领域具有应用价值。但层状钛酸盐为宽带隙半 导体材料，其禁带宽度大于3.0eV，对应的光电响应波长位于紫外光区，而紫外光区 的能量在太阳光能中仅占不到5％。
为了充分利用太阳能，人们采用多种方法对宽带隙半导体材料进行修饰改性，如 贵金属掺杂，非金属阴离子或过渡金属阳离子掺杂，染料敏化及窄带隙半导体敏化等， 以使光电响应范围从紫外光区扩展到可见光区。
在文献(1)Chem.Mater.，2002，14，2486-2491中，Jin-Ho Choy等人将层状钛酸盐剥 层得到带负电荷的氧化钛纳米片溶胶，通过调节pH值使二氧化钛纳米颗粒溶胶带正电 荷，然后将上述带相反电荷的两种溶胶通过静电重组得到二氧化钛柱撑层状钛酸盐纳 米复合材料。与质子化层状钛酸盐及二氧化钛纳米颗粒溶胶相比，复合材料的光谱吸 收范围红移，且复合材料光催化分解水制氢的效率也明显提高。但该复合材料光谱吸 收范围红移程度有限，对可见光的利用率不高。
在文献(2)Adv.Funct.Mater.2007，17.401-412中，Gang Yang等人先将苯胺单体引 入层状铌酸盐层间，然后分别通过化学聚合和微波聚合方法使层间苯胺单体聚合，获 得了聚苯胺插层铌酸盐复合材料，并对该复合材料的电化学性能进行了研究。但该复 合材料的比容量及电化学循环性能较差，尚需进一步改善。
利用层状钛酸盐的特殊结构及其层间客体的可交换性，若将聚苯胺引入钛酸盐层 间可形成聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料，预期该复合材料具有较好的光电响应特性。 但由于层状钛酸盐层板间作用力较强，客体的插层较困难，因此聚苯胺插层钛酸盐的 研究工作尚未见文献报道。
发明内容
本发明的纳米复合材料的化学组成为PANI/HxTi2-x/4□x/4O4·H2O。其中， HxTi2-x/4□x/4O4·H2O为质子化层状钛酸盐，钛与氧以八面体通过共边、共点形成具有褶 皱状的二维层状结构，层板厚度为0.7～1.2nm；x取值范围为0.65≤x≤0.75；□为层板 中钛元素空位，由于层板钛缺失而带有一定量的负电荷，具有n型半导体性质。PANI 为聚苯胺，位于质子化层状钛酸盐HxTi2-x/4□x/4O4·H2O的层间，PANI在复合材料中所 占质量分数为7.0～8.0％，PANI被HxTi2-x/4□x/4O4·H2O层间的H+所掺杂，具有p型半导 体性质。因此聚苯胺插层钛酸盐PANI/HxTi2-x/4□x/4O4·H2O是一种微观上具有p-n结异质 结构的纳米复合材料。
利用聚苯胺在可见光区具有光谱吸收的特性，可将复合材料的光电响应范围从紫 外光区扩展至可见光区；利用聚苯胺插层钛酸盐在微观上具有p-n结异质结构的特点， 能够较好地减少光生电子和光生空穴的复合。因此该复合材料会具有较好的光电响应 特性，在光催化、太阳能电池及光电传感器等领域具有较高应用价值。
本发明聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料采用单体插层并原位聚合的方法进行制 备。即将碱性苯胺单体在酸基反应作用下引入HxTi2-x/4□x/4O4·H2O层间，并通过空气中 氧气的氧化作用使层间的苯胺单体原位氧化聚合形成聚苯胺。具体工艺步骤如下：
A.层状钛酸铯的制备：将碳酸铯Cs2CO3和二氧化钛TiO2按照1∶5.1～1∶5.5的摩尔 比混合研磨，混合物在马弗炉中800～900℃下煅烧30～60分钟，待其冷却至室温后研 磨并在800～900℃煅烧20～24小时，待其冷却至室温后再次研磨并在800～900℃煅烧 20～24小时，得到层状钛酸铯CsxTi2-x/4□x/4O4，其中0.65≤x≤0.75。
B.质子化层状钛酸盐的制备：将浓度为1.0～1.5mol/L的盐酸HCl溶液与层状钛酸 铯固体按照50～150mL/g的液固比混合搅拌3～4天，每24小时更换一次1.0～1.5mol/L 的盐酸HCl溶液；产物用二次蒸馏水洗涤过滤至滤液pH值为6～7，得到质子化层状钛 酸盐HxTi2-x/4□x/4O4·H2O，其中0.65≤x≤0.75；将其置于盛有饱和氯化钠NaCl溶液的 干燥器中干燥至恒重。
C.聚苯胺插层钛酸盐的制备：将二次蒸馏水与干燥至恒重的质子化层状钛酸盐固 体按照50～150mL/g的液固比混合，超声10～20分钟获得悬浊液；按照苯胺液体与质 子化层状钛酸盐固体为3.5～5.5mL/g的液固比将苯胺加入到上述悬浊液中，在40～60℃ 下搅拌6～8天，直至悬浊液的颜色变为墨绿色后停止搅拌；将墨绿色的悬浊液在砂芯 漏斗中用二次蒸馏水洗涤过滤至滤液的pH值为6～7；然后用乙醇洗涤过滤，直至滤液 用紫外-可见分光光度计检测无苯胺的特征吸收峰；最后将所得样品在50～70℃真空干 燥，得到聚苯胺插层钛酸盐PANI/HxTi2-x/4□x/4O4·H2O。
采用日本理学D/Max2500型X-射线粉末衍射(XRD)仪(CuKα，λ＝1.5406)表征材 料结构，分析测试结果(见图1)表明聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料保持了质子化层 状钛酸盐的层状结构。
采用Vector-22型傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪对纳米复合材料进行分析，结果(见 图2)表明层间苯胺单体已发生聚合反应形成聚苯胺。
利用日本岛津UV-2501PC型紫外-可见(UV-Vis)分光光度计对复合材料进行分析表 征，结果(见图3)表明纳米复合材料中聚苯胺在层间H+的掺杂下形成具有p型半导 体性质的导电聚苯胺。
采用德国ELEMENTAR公司Vario型元素分析仪(载气流速为20mL·min-1，燃 烧管温度950℃，还原管的温度为550℃)分析样品中C、H、N元素含量，结果表明 PANI在PANI/HxTi2-x/4□x/4O4·H2O复合材料中所占质量分数为7.0～8.0％。
在三电极非水电解液体系中，采用上海辰华CHI660C型电化学工作站记录该纳米 复合材料的光电流响应。光源系统采用北京泊菲莱公司的PLS-SXE300型模拟日光氙 灯光源及紫外滤光膜(过滤λ＜400nm的紫外光)。测试结果(见图4)表明在可见光 (λ＞400nm)作用下，纳米复合材料会产生明显的光电流响应，由此说明聚苯胺插层钛 酸盐纳米复合材料的光电响应范围已扩展到可见光区。
以北京泊菲莱公司PLS-SXE300型模拟日光氙灯及紫外滤光膜(过滤λ＜400nm 的紫外光)为光源，在可见光(λ＞400nm)下对聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料进行光 催化性能评价。测试结果(见图5)表明聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料在4小时内将 亚甲基蓝基本降解完全，而相同测试条件下，质子化层状钛酸盐对亚甲基蓝无明显降 解作用。
本发明的效果及优点是：利用酸基反应将碱性苯胺单体引入质子化层状钛酸盐 HxTi2-x/4□x/4O4·H2O层间，并通过空气中氧气的氧化作用使层间的苯胺单体原位氧化聚 合形成聚苯胺，可以克服层状钛酸盐层板间作用力大，直接将大分子聚合物插入层间 困难等不利因素，成功地制备出聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料。该纳米复合材料可 将光电响应范围扩展到可见光区并且可以有效地减小光生电子和光生空穴的复合，具 有良好的光电转换性能。
附图说明
图1.质子化层状钛酸盐和聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的XRD谱图。横坐标 为角度2θ，单位为度(°)；纵坐标为衍射强度，单位为绝对单位(a.u.)。(a)-质子化层状 钛酸盐的XRD谱图；(b)-聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的XRD谱图。
图2.质子化层状钛酸盐和聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的FTIR谱图。横坐标 为波数，单位为厘米-1(cm-1)；纵坐标为透光率，单位为百分比(％)。(a)-质子化层状 钛酸盐的FTIR谱图；(b)-聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的FTIR谱图。
图3.质子化层状钛酸盐和聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的UV-Vis谱图。横坐 标为波长，单位为纳米(nm)；纵坐标为吸光度，无单位。(a)-质子化层状钛酸盐的UV-Vis 谱图；(b)-聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的UV-Vis谱图。
图4.聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料在可见光下的电流密度-时间曲线。横坐标 为时间，单位为秒(s)；纵坐标为电流密度，单位为安培·厘米-2(A·cm-2)。
图5.质子化层状钛酸盐和聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料光催化降解亚甲基蓝 的性能评价曲线。横坐标为时间，单位为分钟(min)；纵坐标为不同光照时间下亚甲基 蓝的浓度C与亚甲基蓝初始浓度C0的比值C/C0，无单位。(a)-质子化层状钛酸盐光 催化降解亚甲基蓝的性能评价曲线；(b)-聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料光催化降解 亚甲基蓝的性能评价曲线。
具体实施方式
将3.26g Cs2CO3和4.07g TiO2混合研磨后放入马弗炉中，在800℃下煅烧60分 钟，待其冷却至室温后研磨并在800℃下煅烧20小时，待其冷却至室温后再次研磨并 在800℃下煅烧20小时，得到层状钛酸铯Cs0.67Ti1.83□0.17O4。
将1.5g层状钛酸铯Cs0.67Ti1.83□0.17O4加入到80mL浓度为1.0mol/L的盐酸HCl 溶液中混合搅拌3天，每24小时更换一次浓度为1.0mol/L的盐酸HCl溶液，产物用 二次蒸馏水清洗至pH＝6.0，将产物置于盛有饱和氯化钠NaCl溶液的干燥器中干燥至 恒重，得到质子化层状钛酸盐H0.67Ti1.83□0.17O4·H2O。
将1g干燥至恒重的质子化层状钛酸盐H0.67Ti1.83□0.17O4·H2O分散于60mL的二次 蒸馏水中超声10分钟，之后将3.5mL的苯胺单体加入上述悬浊液中在40℃搅拌6天 直至悬浊液的颜色变为墨绿色后停止搅拌，将墨绿色的悬浊液在砂芯漏斗中先用二次 蒸馏水洗涤过滤，直至滤液pH值为6.0，然后用乙醇洗涤过滤，直至滤液用紫外-可见 分光光度计检测无苯胺的特征吸收峰，最后将所得样品在50℃下真空干燥，得到聚苯 胺插层钛酸盐PANI/H0.67Ti1.83□0.17O4·H2O复合材料，PANI在复合材料中所占质量分数 为7.40％。
质子化层状钛酸盐和聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的XRD表征结果见图1所 示，层间距d020由质子化层状钛酸盐(图1(a))的9.2扩大为聚苯胺插层钛酸盐(图 1(b))的12.0且聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料保持了质子化层状钛酸盐的层状结 构。质子化层状钛酸盐和聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的FTIR表征结果见图2，与 质子化层状钛酸盐的FTIR谱图(图2(a))相比，图2(b)中576cm-1、1474cm-1特征峰 分别属于醌式结构和苯环结构中C＝C的变形伸缩振动；1305cm-1、1140cm-1特征峰 分别属于苯环中亚胺C-N的伸缩振动和芳香环中C-H的面内弯曲振动；822cm-1、506 cm-1特征峰分别属于苯环中1，4取代的C-H面外变形振动，以上特征峰与聚苯胺的 特征峰一致，表明处于层状钛酸盐层间的苯胺单体已经发生聚合形成了聚苯胺。质子 化层状钛酸盐和聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的UV-Vis谱图如图3所示。质子化层 状钛酸盐(图3(a))和聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料(图3(b))均在278nm处出现 了钛酸盐的特征吸收峰，此外聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料(图3(b))还分别在400 nm和800nm出现两个吸收峰，表明纳米复合材料中聚苯胺在层间H+的掺杂下形成具 有p型半导体性质的导电聚苯胺。
将氧化铟锡(ITO)导电玻璃基片依次用丙酮、无水乙醇和二次蒸馏水各超声清洗20 分钟；量取4mL质量分数为30％的H2O2和4mL质量分数为28％的浓氨水，加入到 10mL的二次蒸馏水中配成溶液，再将ITO导电玻璃基片浸入该溶液在70℃下煮60 分钟进行活化；最后用二次蒸馏水冲洗干净，用N2吹干。采用电泳沉积方法将 PANI/H0.67Ti1.83□0.17O4·H2O纳米复合材料沉积到ITO导电玻璃基片上，具体沉积条件 为：将PANI/H0.67Ti1.83□0.17O4·H2O纳米复合材料加入乙腈中并超声分散30分钟，配制 浓度为2.5g·L-1的分散液；将两片1×4cm2的ITO导电玻璃基片作为电极插入该分散液 中，控制两个ITO导电玻璃基片之间的距离为1±0.1cm，施加在两电极上的电压为50 V，电泳沉积15分钟。
以沉积了聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的ITO导电玻璃基片为工作电极，以Pt 片为对电极，以Ag/Ag+/乙腈(0.01mol/L)为参比电极，以四丁基高氯酸铵/乙腈(浓度 为0.1mol/L，并加入0.01mol/L的三乙醇胺)为电解质溶液组成三电极实验电池体系 进行光电性能测试。测试前通N2处理30分钟以除去溶液中的O2。以北京泊菲莱公司 PLS-SXE300型模拟日光氙灯及紫外滤光膜(过滤λ＜400nm的紫外光)为光源，采用 上海辰华CHI660C型电化学工作站记录电流密度-时间关系曲线，同时通过控制光路开 关，使可见光(λ＞400nm)以一定周期性变化照射到实验电池体系上，测试结果如图4 所示。测试结果表明在可见光(λ＞400nm)作用下，纳米复合材料会产生明显的光电流 响应，说明聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料的光电响应范围已扩展到可见光区。
实施例2：
将3.26g Cs2CO3和4.39g TiO2混合研磨后放入马弗炉中，在900℃下煅烧30分 钟，待其冷却至室温后研磨并在900℃下煅烧24小时，待其冷却至室温后再次研磨并 在900℃下煅烧24小时，得到层状钛酸铯Cs0.73Ti1.82□0.18O4。
将2.5g层状钛酸铯Cs0.73Ti1.82□0.18O4加入到300mL浓度为1.5mo1/L的盐酸HCl 溶液中混合搅拌4天，每24小时更换一次浓度为1.5mol/L的盐酸HCl溶液，产物用 二次蒸馏水清洗至pH＝7.0，将产物置于盛有饱和氯化钠NaCl溶液的干燥器中干燥至 恒重，得到质子化层状钛酸盐H0.73Ti1.82□0.18O4·H2O。
以1g干燥至恒重的质子化层状钛酸盐H0.73Ti1.82□0.18O4·H2O分散于130mL的二次 蒸馏水中超声20分钟，之后将5.5mL的苯胺单体加入上述悬浊液中在60℃搅拌8天 直至悬浊液的颜色变为墨绿色后停止搅拌，将墨绿色的悬浊液在砂芯漏斗中先用二次 蒸馏水洗涤过滤，直至滤液pH值为7.0，然后用乙醇洗涤过滤，直至滤液用紫外-可见 分光光度计检测无苯胺的特征吸收峰，最后将所得样品在70℃下真空干燥，得到聚苯 胺插层钛酸盐PANI/H0.73Ti1.82□0.18O4·H2O复合材料，PANI在复合材料中所占质量分数 为7.76％。
采用实施例1的方法对PANI/H0.73Ti1.82□0.18O4·H2O进行分析表征，结果表明苯胺 单体进入了钛酸盐层间并发生聚合反应形成掺杂态聚苯胺。
在石英玻璃杯中，将25mg的聚苯胺插层钛酸盐PANI/H0.73Ti1.82□0.18O4·H2O纳米 复合材料分散于100mL且浓度为1.5×10-5mol/L的亚甲基蓝水溶液中并在磁力搅拌作 用下搅拌30分钟。以北京泊菲莱公司PLS-SXE300型模拟日光氙灯及紫外滤光膜(过 滤λ＜400nm的紫外光)为光源，在可见光(λ＞400nm)下对聚苯胺插层钛酸盐纳米复 合材料进行光催化性能评价。每隔60分钟取3mL悬浮液，将该悬浮液离心(5000转 /分钟)处理10分钟后，取上层清液并利用紫外-可见分光光度计测溶液中亚甲基蓝的 浓度，将C/C0对时间t作图，其中C0为亚甲基蓝在光照前的初始浓度，C为亚甲基蓝 在光照时间t时的浓度。用质子化层状钛酸盐做对比实验，测试条件同上。质子化层状 钛酸盐和聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料光催化降解亚甲基蓝的性能评价曲线如图5 所示。测试结果表明聚苯胺插层钛酸盐纳米复合材料在4小时内将亚甲基蓝基本降解 完全，而相同测试条件下，质子化层状钛酸盐对亚甲基蓝无明显降解作用。
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