研究二氧化鈦(TiO2)的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，對(duì)擴(kuò)大應(yīng)用范圍，生產(chǎn)新產(chǎn)品具有非常重要的意義，眾所周知，材料的微觀形貌及顆粒的空排布方式將對(duì)材料的性能產(chǎn)生重要的影響，因此合成具有優(yōu)良形貌的Ti02，以增強(qiáng)其相關(guān)性能，從而擴(kuò)展Ti02材料器件的應(yīng)用范圍成為研究者們的新挑戰(zhàn)。近來(lái)，由低維度基本組成單元構(gòu)造多維分級(jí)結(jié)構(gòu)的研究己備受廣大研究者們的關(guān)注，這是因?yàn)榉旨?jí)結(jié)構(gòu)往往對(duì)材料的光、磁、電、熱以及化學(xué)等方面的性質(zhì)產(chǎn)生顯著的優(yōu)化作用。Ti02具有優(yōu)越的光電性能和物理特性，由于其在光催化、傳感器、染料敏化太陽(yáng)能電池、水分離等領(lǐng)域提示出巨大的應(yīng)用前景而成為目前的研究熱點(diǎn)。
隨著科學(xué)界制備技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前研究者們己制備出多種形貌的Ti02分級(jí)結(jié)構(gòu)材料（見(jiàn)圖1），并且對(duì)其相關(guān)性能產(chǎn)生了顯著的優(yōu)化作用。本文就幾種常見(jiàn)的分級(jí)結(jié)構(gòu)的制備以及該結(jié)構(gòu)對(duì)相關(guān)性能的優(yōu)化作用作綜述。
球形分級(jí)結(jié)構(gòu)是目前己制備出的較多的分級(jí)結(jié)構(gòu)形式，其制備的工藝過(guò)程也相對(duì)簡(jiǎn)易有效。根據(jù)各種己知的球形分級(jí)結(jié)構(gòu)的形貌特點(diǎn)可大致分為空心球和非空心球兩大類。
空心球是一種典型的球形分級(jí)結(jié)構(gòu)形式，由于其具有密度低、比表面積大、傳遞電荷效率高以及表面滲透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)之一。隨著研究者們對(duì)Ti02 空心球制備的深入研究，其制備工藝也逐漸趨向成熟。
模板法是較直接，較有效的制備空心球分級(jí)結(jié)構(gòu)的方法；包含硬模板和軟模板兩種。常見(jiàn)的硬模板又可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩類。Jiaguo Y u等以Si02微球?yàn)槟０鍎?，TiF4為Ti源進(jìn)行反應(yīng)，得到空心球分級(jí)結(jié)構(gòu)。該空心球結(jié)構(gòu)含有大量的孔道結(jié)構(gòu)，其比表面積達(dá)到174m2／g，因而具有優(yōu)異的光催化活性。B o Peng等采用復(fù)合法，以聚苯乙烯(PS)顆粒為模板，制備出PS／ Ti02納米球，后經(jīng)高溫退火處理得到Ti02空心球分級(jí)結(jié)構(gòu)，改善Ti02的親水性。除采用硬模板之外，軟模板法也是一條能有效實(shí)現(xiàn)空心球結(jié)構(gòu)的途徑。X iaoxu Li等采用氣泡模板法，以草酸鈦鉗、H2O2為反應(yīng)劑，水熱合成出了Ti02空心球結(jié)構(gòu)，經(jīng)檢測(cè)，其光催化活性得到顯著提高。
硬模板法制備空心球分級(jí)結(jié)構(gòu)往往需要進(jìn)一步的手段去除模板劑，而軟模板法制備空心球結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)條件要求高。因此研究者們又開(kāi)發(fā)出了界面反應(yīng)制各空心球結(jié)構(gòu)的技術(shù)，展紅全等采用水熱界面反應(yīng)法以鈦酸丁酯、乙醇、油酸等為反應(yīng)劑，合成出了具有高表面積及多孔結(jié)構(gòu)的空心球狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)光催化性能測(cè)試得出：該 TiO2空心微球結(jié)構(gòu)具有很高的催化活性。
雖然空心球分級(jí)結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)勢(shì)，對(duì)材料的性能有顯著的優(yōu)化作用，然而空心球分級(jí)結(jié)構(gòu)的抗壓、抗震能力較弱，因而很大地限制了其在各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。所制備高比表面積及含大量孔道結(jié)構(gòu)的TiO2非空心分級(jí)球，以提高其相關(guān)性能，依然是研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。
采用有機(jī)表面活性劑、螫合劑，獲得Ti02分級(jí)結(jié)構(gòu)球較為常見(jiàn)，如: Jun Song Chen等以DETA為活性劑，異丙醇鈦為鈦源，水熱反應(yīng)后經(jīng)高溫退火，成功獲得了 Ti02納米片分級(jí)球；Tiejian Zhu等以EDA為螫合劑，二氯化環(huán)戊二烯鈦為反應(yīng)前驅(qū)，水熱合成出了花狀的納米片分級(jí)球；YaliW ang等以二甘醇(DEG) 及TiCL4為反應(yīng)劑，水熱得到Ti02納米片微球，經(jīng)檢測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，采用有機(jī)物誘導(dǎo)的Ti02分級(jí)結(jié)構(gòu)球具有高的比表面積，以及大量的介孔結(jié)構(gòu)，能有效優(yōu)化其相關(guān)性能。
除采用有機(jī)物誘導(dǎo)之外，研究者們還利用先進(jìn)的設(shè)備術(shù)合成Ti02分級(jí)結(jié)構(gòu)球。D aesub H w ang等采用電噴射法，將納米晶體的Ti02顆粒溶于乙醇，然后直接電噴射在FTO基片上，這種Ti02分級(jí)結(jié)構(gòu)球且具有更高的電子擴(kuò)散系數(shù)及更長(zhǎng)的壽命。Y uxm Tang等采用電化學(xué)火花放電分解(ESDS)技術(shù)結(jié)合退火處理，獲得了Ti02納米片-納米顆粒混合的分級(jí)結(jié)構(gòu)球，因其具有116m2／g的比表面積、更多的孔道結(jié)構(gòu)以及更好的結(jié)品性，而表現(xiàn)出了優(yōu)異的光催化活性。然而采用先進(jìn)的儀器設(shè)備來(lái)制備Ti02材料，成本較高，儀器操作較復(fù)雜，不適合大范圍的生產(chǎn)。
探索簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，且不含有機(jī)誘導(dǎo)劑的制備工藝是制備Ti02球形分級(jí)結(jié)構(gòu)的重要方向。Chengxiang W ang等將鈦粉溶解于NaoH，加入H2O2，水熱反應(yīng)后經(jīng)退火過(guò)程制得了放射狀Ti02分級(jí)結(jié)構(gòu)球； P oovathmmodjy il R aveendra等通過(guò)水解濃縮溶解于乙酸乙酯的正丁醇鈦，然后經(jīng)過(guò)溫和的加熱過(guò)程得到介孔微球，經(jīng)檢測(cè)該種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的氣敏性及光催化活性。
陣列分級(jí)結(jié)構(gòu)排列致密規(guī)整，與相應(yīng)的反應(yīng)媒介（光、染料、有機(jī)物等）具有更大的接觸面積，此外陣列分級(jí)結(jié)構(gòu)具有一定的取向性，并且含有大量的傳輸通道，因而往往使材料具有優(yōu)異的性質(zhì)。制備高度有序、形貌規(guī)整、尺度均一的Ti02陣列，以提高其相關(guān)的性能仍是研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
陽(yáng)很電鍍技術(shù)法制備Ti02陣列是目前使用較頻繁的技術(shù)于段，如：B o Chen等通過(guò)陽(yáng)很電鍍法成功制備出了Ti02分支納米管陣列，該Ti02分級(jí)陣列能有效降低電子重合率，且具有高的光能收集能力。
模板法制備Ti02陣列是另一條有效的制備途徑，如 F engqiang Sun等采用單層PS球?yàn)槟０?，在基片上制備出Ti02圓圈陣列。此外，Yue Li等采用脈沖激光沉積法，以單分散的PS膠體球單層為模板，制備出了六方緊密堆積的Ti02分級(jí)納米柱陣列。這種分級(jí)納米柱陣列表現(xiàn)出了優(yōu)異的很雙親性。但是該過(guò)程由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求很高，不利推廣。
因此，探索更為簡(jiǎn)易的制備Ti02陣列的方法，再次引起研究者們的關(guān)注。李玉祥等采用水熱沉積法，在玻璃基片上制備出了微球陣列及納米棒分級(jí)顆粒陣列，產(chǎn)物顯示出優(yōu)良的光催化活性，這主要是由于納米陣列結(jié)晶性好，有利于光生電荷的傳輸所致。Qinghui Mua等將Ti02薄片浸入H2O2溶液之中80℃恒溫后退火，獲得了致密的納米桿陣列，該類方法屬于無(wú)模板法，且不需復(fù)雜的操作過(guò)程以及精密的設(shè)備，為今后有效制備Ti02陣列結(jié)構(gòu)提供了思路。
Ti02管、線結(jié)構(gòu)具有一維材料所共有的優(yōu)異特性，但就目前的研究現(xiàn)狀而言，普通的管、線結(jié)構(gòu)在對(duì)材料性能優(yōu)化上仍存在局限性，因此研究者們作出大量的上作米制備特殊形式的Ti02管、線分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，從而達(dá)到提高Ti02相關(guān)性能、擴(kuò)展其應(yīng)用范用的目的。如P eng Si等采用多層碳納米管為模板，溶劑熱法制備出新型一維蠕蟲(chóng)狀管道結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果顯示，該種管狀結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積，以及較窄的孔徑分布，因而具有更快的電子轉(zhuǎn)移速率以及更優(yōu)異的電催化性能。Qijun Z hang等通過(guò)兩個(gè)步驟，首先采用簡(jiǎn)易的靜電紡絲技術(shù)（electro印innmg）制備出纖維狀的銳鈦礦Ti02框架，然后通過(guò)一個(gè)溫和的溶劑熱反應(yīng)過(guò)程，在該種纖維框架上生長(zhǎng)出一層均一的金紅石納米片。這種方法為我們提供了-種便捷有效的思路來(lái)設(shè)計(jì)制備三維Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)。
除了以上所提到的較為常見(jiàn)的分級(jí)結(jié)構(gòu)之外，目前的報(bào)道中還存在著其他形貌的分級(jí)結(jié)構(gòu)，這類特殊的分級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)Ti02的相關(guān)性能也產(chǎn)生了顯著的優(yōu)化作用。例如： Cheng Y ang等采用水熱法制備Ti02納米葉，然后采用鋅卟啉改性Ti02納米葉；再使用配合基交換法，用反 -2，2乙烯基-4，4聯(lián)吡啶連接被改性的Ti02側(cè)面中心鋅原子，較終使單個(gè)Ti02納米葉形成層層并排的組裝結(jié)構(gòu)。Fang Shao等將Ti薄片浸入氫氧化鈉水溶液中220℃水熱反應(yīng)沉積，較終得到基片底部為有序的納米桿陣列，頂部為花狀微球顆粒的分級(jí)結(jié)構(gòu)，這種Ti02結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)性能測(cè)試，各個(gè)指數(shù)均比商業(yè)的P25 Ti02優(yōu)異，他們認(rèn)為是惻底部的納米桿陣列為光生電子提供了通道，而頂部的花狀微球結(jié)構(gòu)增加廠光的捕集能力所致。
二氧化鈦分級(jí)結(jié)構(gòu)，往往具有高的比表面積及大量的孔道結(jié)構(gòu)，有利于收集反應(yīng)介質(zhì)及傳輸電子，因而制備分級(jí)結(jié)構(gòu)Ti02材料是優(yōu)化其相關(guān)性能的重要途徑。雖然目前已經(jīng)制備出了大量的分級(jí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也對(duì)其各種性能產(chǎn)生了較為顯著的優(yōu)化作用。然而卻存在種種的不足，例如，反應(yīng)過(guò)程比較復(fù)雜、設(shè)備要求較高、分級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性低等。這些不足將直接導(dǎo)致已有的制備工藝只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。Ti02分級(jí)結(jié)構(gòu)材料能否大范圍的應(yīng)用其關(guān)鍵在于：在低成本的條件下開(kāi)發(fā)出較簡(jiǎn)易的制備工藝，來(lái)制備具有高比表面積、高穩(wěn)定性的分級(jí)結(jié)構(gòu)。
另外，根據(jù)已有的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)，采用簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)、有效或多種制備技術(shù)相結(jié)合的方法，來(lái)制備多重結(jié)構(gòu)復(fù)合的Ti02結(jié)構(gòu)是提高其性能的有效方法，并且將會(huì)成為分級(jí)結(jié)構(gòu)制備領(lǐng)域的一個(gè)新研究方向。