介孔二氧化钛是一种多孔材料，具有独特的电学和光学性质，并以其比表面积大，丰富的孔道结构等优异性能，广泛应用于光电转换领域，光催化降解，光催化制氢等环境能源领域。

一、多孔材料概述

多孔材料，因具有空旷结构和巨大的表面积，而被广泛应用于催化剂和吸附载体。

（一）多孔材料分类

1、按孔径的大小，多孔材料可分为：

（1）微孔材料：孔径＜2nm；

（2）介孔材料：孔径2～50nm；

（3）大孔材料：孔径50nm～1μm；

（4）宏孔材料：孔径＞1μm。

2、按材料的结构特征，多孔材料又可以分为三类：

（1）无定形；（2）次晶；（3）晶体。

（二）介孔材料

介孔材料因孔径范围较大，存在着孔道形状不规则、孔径尺寸分布范围大等优点，是良好的催化剂载体。影响介孔材料孔径大小的因素主要包括：

1、表面活性剂碳链的长度，孔径大小的粗略控制可通过调节表面活性剂的碳链长度来达到。因为表面活性剂的碳链越长，形成棒状胶束时直径越大，若碳链大于l8，表面活性剂溶解度下降，故较少用于介孔材料的制备。

2、辅助有机物的添加，通过添加憎水性有机物，可将辅助有机物进入表面活性剂胶束的憎水基团内部，使胶束的直径变大，达到增加介孔材料尺寸的目的。此类有机物一般包括饱和链烷烃、芳香烃、醇类。当然，表面活性剂不同，合成过程的作用机理和合成介孔材料的性能可能是有差异的。 

3、合成过程的影响，一般合成过程包括反应时间、温度、溶液的组成、表面活性剂和共溶剂种类、pH值、表面活性剂的萃取条件及煅烧条件等。 

二、介孔TiO₂合成机理

介孔TiO₂材料的合成有两条可能途径：

途径1：通过改变表面活性剂浓度，在溶剂中逐渐形成六方有序排列的液晶结构， TiO₂在液晶胶柬聚集体表面沉淀，缩聚固化形成无机孔壁，合成介孔介孔TiO₂。

途径2：TiO₂与表面活性剂相互作用，按照某种自组装方式排列成六方有序的液晶结构，同时在溶液中沉淀下来，合成介孔介孔TiO₂。

介孔TiO₂合成机理示意图

三、介孔TiO₂制备方法

介孔TiO₂主要分为有序、无序两大类。其中有序介孔材料又分为纳米量级和宏观尺度两类。介孔TiO₂制备方法主要分为模板法和非模板法。模板法又可分为表面活性剂模板法和非表面活性剂模板法，非表面活性剂模板法法又分为胶态晶体模板法，乳液模板法等。

（一）模板法

模板法合成介孔TiO₂首先加入模板作为结构导向剂，通过模板剂的协同作用或分子装及无机前驱体与模板剂分子之间的相互作用，形成稳定的分子聚集体，然后模板经煅烧或溶剂萃取等被去除，形成介孔结构。

模板法制备介孔TiO₂优点是：制备的介孔材料比表面积大、孔径分布窄、易沉积于玻璃或石英表面形成透明的纳米膜。

1、表面活性剂模板法

表面活性剂模板法是指利用表面活性剂在高于临界胶束浓度时，在溶液中随浓度的不同可形成球状、柱状、层状或六方等高度有序结构的胶束，为形成介孔结构提供空间上的模板。表面活性剂浓度、分子大小及其形成胶束的大小等因素对介孔形貌有着重要的影响。

用于合成介孔TiO₂材料的表面活性剂主要包括磷酸盐、季铵盐等离子型表面活性剂，以及长链伯胺、聚氧化乙烯、嵌段共聚物等非离子型表面活性剂。 

2、非表面活性剂模板法 

胶态晶体模板法主要分为：胶态晶体模板法和乳液模板法。

（1）胶态晶体模板法

胶态晶体模板法是首先利用乳液制备而成的胶态晶体为模板，并采用原位官能化的方法诱导TiO₂微粒进行聚合生长，制得了多孔的、有序生长的TiO₂材料。

（2）乳液模板法 

乳液模板法是指利用具有规整均一外形的乳液微粒为模板，再在微粒上堆砌、组装以制备介孔TiO₂材料材料。

（二）非模板法 

非模板法主要包括超声诱导凝聚法。是将异丙醇钛在超声下水解生成单分散溶胶颗粒，加入羧酸控制水解速度，然后在高强度超声作用下控制溶胶纳米颗粒的凝聚，形成螺旋状孔结构，孔径分布窄的介孔TiO₂。

超声诱导凝聚法优点是合成的介孔TiO₂壁较厚，高温热稳定性好。缺点是：结构缺少长程有序性。  

四、介孔TiO₂材料的应用 

目前介孔TiO₂材料在光催化剂，太阳能电池电极等方面有着重要的应用，如催化剂载体，环境保护和电极材料等领域有广泛的用途。 

1、电极膜材料

由于介孔TiO₂具有稳定、无毒、易成膜的性能，成为选择最多的半导体电极膜材料。染料敏化的介孔TiO₂太阳能电池较传统的固态电池而言，经济且高效。在染料敏化电池中，TiO₂的介孔结构对吸收太阳光起着重要作用，可有效增大电极感光度。

介孔TiO₂作为电极膜材料用于染料敏化电池

2、光催化剂

目前，有序介孔TiO₂材料作为光催化剂用于降解有机废物和有害气体有着广泛的研究。 介孔TiO₂比纳米TiO₂具有更高的光催化活性，这是因为介孔结构的高比表面积增加了表面吸附的水和羟基，水和羟基可与催化剂表面光激发的空穴反应产生羟基自由基，而羟基自由基是降解有机物的强氧化剂。此外，介孔结构更利于反应物和产物的扩散。

介孔TiO₂作为光催化剂的应用

3、固体酸领域应用

在固体酸领域，介孔TiO₂材料合成的SO₄²⁻/TiO₂固体酸催化剂，不仅具有纳米级晶粒、高比表面积和介孔结构，还保持了完善的锐钛矿晶型、较高的酸活性和热稳定性。SO₄²⁻的引入能有效抑制TiO₂晶粒的生长，使催化剂保持较大的比表面积和孔体积，有利于催化剂酸性位的增多和催化反应的进行。

4、催化载体应用

在催化载体应用领域，介孔TiO₂具有金属-载体强相互作用和开放结构等特点，能与金属实现更为相称的晶格匹配，稳定负载的纳米颗粒。 目前，在介孔氧化钛材料上担载贵金属 （Pt，Au），通过对生物质催化制氢和 CO 氧化反应的研究，发现具有介孔特殊形貌和结构的 TiO₂ 材料具有更为优异的稳定性和低温催化性能。

介孔TiO2作为催化剂载体

5、油品加氢精制领域

在油品加氢精制领域，以介孔TiO₂材料为载体的 MoO₃/TiO₂催化剂在噻吩和二苯并噻吩为反应液的加氢脱硫反应体系中均表现出良好的低温低压性能，长时间稳定性实验也未发现任何失活现象，具有极大的工业化应用潜力。

6、电化学电容器领域

在电化学电容器领域，研究表明，通过化学法制备得到的 介孔TiO₂材料，在中性的 Na₂SO₄ 溶液中具有典型的超级电容行为，其孔径分布在 10 nm 左右，适于用作超级电容器电极材料。

7、药物载体领域

在药物载体领域，TiO₂因具有无毒和良好的生物相容性而受到广泛关注。目前，研究表明，介孔TiO₂材料的固载和有效传递，能明显提升细胞内柔红霉素的浓度，从而提高其潜在的抗癌效率。进一步研究还发现，在紫外光辐射下，该药物载体能明显抑制癌细胞的生长，表明该介孔氧化钛材料在生物药物领域也同样具有广阔的应用前景。

介孔TiO₂材料作为药物载体

作者：李波涛

参考文献：1、《表面活性剂辅助法制备介孔二氧化钛及其光催化性能》，谢云龙、郭航鸣等。

2、《介孔二氧化钛的结构分析》，於蕾等。