介孔二氧化鈦是一種多孔材料，具有獨特的電學和光學性質，并以其比表面積大，豐富的孔道結構等優異性能，廣泛應用于光電轉換領域，光催化降解，光催化制氫等環境能源領域。

一、多孔材料概述

多孔材料，因具有空曠結構和巨大的表面積，而被廣泛應用于催化劑和吸附載體。

（一）多孔材料分類

1、按孔徑的大小，多孔材料可分為：

（1）微孔材料：孔徑＜2nm；

（2）介孔材料：孔徑2～50nm；

（3）大孔材料：孔徑50nm～1μm；

（4）宏孔材料：孔徑＞1μm。

2、按材料的結構特征，多孔材料又可以分為三類：

（1）無定形；（2）次晶；（3）晶體。

（二）介孔材料

介孔材料因孔徑范圍較大，存在著孔道形狀不規則、孔徑尺寸分布范圍大等優點，是良好的催化劑載體。影響介孔材料孔徑大小的因素主要包括：

1、表面活性劑碳鏈的長度，孔徑大小的粗略控制可通過調節表面活性劑的碳鏈長度來達到。因為表面活性劑的碳鏈越長，形成棒狀膠束時直徑越大，若碳鏈大于l8，表面活性劑溶解度下降，故較少用于介孔材料的制備。

2、輔助有機物的添加，通過添加憎水性有機物，可將輔助有機物進入表面活性劑膠束的憎水基團內部，使膠束的直徑變大，達到增加介孔材料尺寸的目的。此類有機物一般包括飽和鏈烷烴、芳香烴、醇類。當然，表面活性劑不同，合成過程的作用機理和合成介孔材料的性能可能是有差異的。 

3、合成過程的影響，一般合成過程包括反應時間、溫度、溶液的組成、表面活性劑和共溶劑種類、pH值、表面活性劑的萃取條件及煅燒條件等。 

二、介孔TiO₂合成機理

介孔TiO₂材料的合成有兩條可能途徑：

途徑1：通過改變表面活性劑濃度，在溶劑中逐漸形成六方有序排列的液晶結構， TiO₂在液晶膠柬聚集體表面沉淀，縮聚固化形成無機孔壁，合成介孔介孔TiO₂。

途徑2：TiO₂與表面活性劑相互作用，按照某種自組裝方式排列成六方有序的液晶結構，同時在溶液中沉淀下來，合成介孔介孔TiO₂。

介孔TiO₂合成機理示意圖

三、介孔TiO₂制備方法

介孔TiO₂主要分為有序、無序兩大類。其中有序介孔材料又分為納米量級和宏觀尺度兩類。介孔TiO₂制備方法主要分為模板法和非模板法。模板法又可分為表面活性劑模板法和非表面活性劑模板法，非表面活性劑模板法法又分為膠態晶體模板法，乳液模板法等。

（一）模板法

模板法合成介孔TiO₂首先加入模板作為結構導向劑，通過模板劑的協同作用或分子裝及無機前驅體與模板劑分子之間的相互作用，形成穩定的分子聚集體，然后模板經煅燒或溶劑萃取等被去除，形成介孔結構。

模板法制備介孔TiO₂優點是：制備的介孔材料比表面積大、孔徑分布窄、易沉積于玻璃或石英表面形成透明的納米膜。

1、表面活性劑模板法

表面活性劑模板法是指利用表面活性劑在高于臨界膠束濃度時，在溶液中隨濃度的不同可形成球狀、柱狀、層狀或六方等高度有序結構的膠束，為形成介孔結構提供空間上的模板。表面活性劑濃度、分子大小及其形成膠束的大小等因素對介孔形貌有著重要的影響。

用于合成介孔TiO₂材料的表面活性劑主要包括磷酸鹽、季銨鹽等離子型表面活性劑，以及長鏈伯胺、聚氧化乙烯、嵌段共聚物等非離子型表面活性劑。 

2、非表面活性劑模板法 

膠態晶體模板法主要分為：膠態晶體模板法和乳液模板法。

（1）膠態晶體模板法

膠態晶體模板法是首先利用乳液制備而成的膠態晶體為模板，并采用原位官能化的方法誘導TiO₂微粒進行聚合生長，制得了多孔的、有序生長的TiO₂材料。

（2）乳液模板法 

乳液模板法是指利用具有規整均一外形的乳液微粒為模板，再在微粒上堆砌、組裝以制備介孔TiO₂材料材料。

（二）非模板法 

非模板法主要包括超聲誘導凝聚法。是將異丙醇鈦在超聲下水解生成單分散溶膠顆粒，加入羧酸控制水解速度，然后在高強度超聲作用下控制溶膠納米顆粒的凝聚，形成螺旋狀孔結構，孔徑分布窄的介孔TiO₂。

超聲誘導凝聚法優點是合成的介孔TiO₂壁較厚，高溫熱穩定性好。缺點是：結構缺少長程有序性。  

四、介孔TiO₂材料的應用 

目前介孔TiO₂材料在光催化劑，太陽能電池電極等方面有著重要的應用，如催化劑載體，環境保護和電極材料等領域有廣泛的用途。 

1、電極膜材料

由于介孔TiO₂具有穩定、無毒、易成膜的性能，成為選擇最多的半導體電極膜材料。染料敏化的介孔TiO₂太陽能電池較傳統的固態電池而言，經濟且高效。在染料敏化電池中，TiO₂的介孔結構對吸收太陽光起著重要作用，可有效增大電極感光度。

介孔TiO₂作為電極膜材料用于染料敏化電池

2、光催化劑

目前，有序介孔TiO₂材料作為光催化劑用于降解有機廢物和有害氣體有著廣泛的研究。 介孔TiO₂比納米TiO₂具有更高的光催化活性，這是因為介孔結構的高比表面積增加了表面吸附的水和羥基，水和羥基可與催化劑表面光激發的空穴反應產生羥基自由基，而羥基自由基是降解有機物的強氧化劑。此外，介孔結構更利于反應物和產物的擴散。

介孔TiO₂作為光催化劑的應用

3、固體酸領域應用

在固體酸領域，介孔TiO₂材料合成的SO₄^2?/TiO₂固體酸催化劑，不僅具有納米級晶粒、高比表面積和介孔結構，還保持了完善的銳鈦礦晶型、較高的酸活性和熱穩定性。SO₄^2?的引入能有效抑制TiO₂晶粒的生長，使催化劑保持較大的比表面積和孔體積，有利于催化劑酸性位的增多和催化反應的進行。

4、催化載體應用

在催化載體應用領域，介孔TiO₂具有金屬-載體強相互作用和開放結構等特點，能與金屬實現更為相稱的晶格匹配，穩定負載的納米顆粒。 目前，在介孔氧化鈦材料上擔載貴金屬 （Pt，Au），通過對生物質催化制氫和 CO 氧化反應的研究，發現具有介孔特殊形貌和結構的 TiO₂ 材料具有更為優異的穩定性和低溫催化性能。

介孔TiO2作為催化劑載體

5、油品加氫精制領域

在油品加氫精制領域，以介孔TiO₂材料為載體的 MoO₃/TiO₂催化劑在噻吩和二苯并噻吩為反應液的加氫脫硫反應體系中均表現出良好的低溫低壓性能，長時間穩定性實驗也未發現任何失活現象，具有極大的工業化應用潛力。

6、電化學電容器領域

在電化學電容器領域，研究表明，通過化學法制備得到的 介孔TiO₂材料，在中性的 Na₂SO₄ 溶液中具有典型的超級電容行為，其孔徑分布在 10 nm 左右，適于用作超級電容器電極材料。

7、藥物載體領域

在藥物載體領域，TiO₂因具有無毒和良好的生物相容性而受到廣泛關注。目前，研究表明，介孔TiO₂材料的固載和有效傳遞，能明顯提升細胞內柔紅霉素的濃度，從而提高其潛在的抗癌效率。進一步研究還發現，在紫外光輻射下，該藥物載體能明顯抑制癌細胞的生長，表明該介孔氧化鈦材料在生物藥物領域也同樣具有廣闊的應用前景。

介孔TiO₂材料作為藥物載體

作者：李波濤

參考文獻：1、《表面活性劑輔助法制備介孔二氧化鈦及其光催化性能》，謝云龍、郭航鳴等。

2、《介孔二氧化鈦的結構分析》，於蕾等。