一種小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體及其制備方法和用途技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種采用簡便的水熱法制備小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體的方法，所得產(chǎn)物以粒徑約為10?nm的板鈦礦TiO2納米粒子為主體，還含有少量的長度約為100?nm的板鈦礦TiO2納米棒。該產(chǎn)品不僅具有高的晶相純度和熱穩(wěn)定性，而且具有比商品TiO2納米粒子（P25）更小的粒徑和更大的比表面積。采用傳統(tǒng)方法以小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體制備漿料和多孔膜光陽極，并以其構(gòu)建的板鈦礦TiO2基DSSCs的最優(yōu)光電轉(zhuǎn)換效率高達6.36%，遠高于同等條件下構(gòu)建的P25基DSSCs的轉(zhuǎn)換效率（5.22%）。本發(fā)明專利技術(shù)所提供的小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體有效地克服了板鈦礦TiO2作為光陽極材料所存在的染料吸附量較低和電子收集效率較差的固有缺陷，從而顯著地提高了板鈦礦TiO2基DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種小粒徑板鈦礦二氧化鈦(TiO2)納米粉體及其制備方法和在染料敏化太陽能電池中的應用，屬于新材料和太陽能電池

技術(shù)介紹
20世紀以來，新能源尤其是可再生綠色能源的開發(fā)與利用已成為世界各國所關(guān)注的焦點問題之一。其中，染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs)因具有光電轉(zhuǎn)換效率較高和成本較低等優(yōu)點而受到了人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的硅基光伏電池不同的是，DSSCs可以將光的吸收和電荷轉(zhuǎn)移過程分離，且具有成本低和制作工藝簡單等優(yōu)點，因而成為太陽能電池領(lǐng)域的一個研究熱點。其中，納米TiO2因具有無毒、高熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、耐光腐蝕等優(yōu)點而成為DSSCs領(lǐng)域研究最多的光陽極多孔膜材料。一般而言，吸附更多的染料分子和快速輸運光生電子是納米TiO2多孔膜必須具備的性能；而TiO2的晶型、能帶結(jié)構(gòu)、形貌及其表/界面性質(zhì)等對染料的吸附、光生電子的輸運以及DSSCs的光電化學過程等會產(chǎn)生明顯的影響。在自然界存在的三種TiO2晶相中，銳鈦礦TiO2納米材料廣泛用于DSSCs光陽極的制備，而關(guān)于使用板鈦礦TiO2作為DSSCs的光陽極多孔膜材料的研究非常罕見。與銳鈦礦TiO2基DSSCs相比，板鈦礦TiO2基DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率要低得多。這主要是受到板鈦礦TiO2的染料吸附量較低和電子收集效率較差等因素的限制。但是，理論和實驗結(jié)果表明，板鈦礦TiO2具有比銳鈦礦TiO2更負的平帶電位和費米能級，且板鈦礦TiO2表面較低的活性可以減少電荷復合，從而可望獲得更高的DSSCs開路電壓。此外，板鈦礦TiO2是一種對稱性較低的斜方晶系結(jié)構(gòu)，其對電荷載流子的形成的影響非常小，且用于DSSCs池中可呈現(xiàn)形狀較好的光電轉(zhuǎn)換行為譜。上述性能優(yōu)勢逐漸吸引了人們的注意，也為提高DSSCs的光電轉(zhuǎn)換性能提供了新的思路。不過，因為板鈦礦TiO2為熱力學亞穩(wěn)相，傳統(tǒng)的化學合成方法往往難以獲得晶相純度和結(jié)晶度均較高的純板鈦礦TiO2材料；而為數(shù)不多的文獻報道所合成的純板鈦礦TiO2均為粒徑較大的納米或亞微米顆粒。上述因素限制了板鈦礦TiO2在DSSCs中的應用和其電池效率的提高。由此可見，尋求新的合成方法獲得小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體，克服其染料吸附量較低和電子收集效率較差的固有缺陷，從而提高板鈦礦基DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了克服板鈦礦TiO2的染料吸附量較低和導電性較差的固有缺陷，本專利技術(shù)提供了一種具有高晶相純度和熱穩(wěn)定性的粒徑更小的板鈦礦TiO2納米粉體及其合成方法。采用簡單的水熱法制備得到了一種粒徑約為10nm的小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體，該產(chǎn)物中還含少量的長度約為100nm的板鈦礦TiO2納米棒。這種小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體可有效地提高板鈦礦TiO2多孔膜的比表面積，利于增大光陽極多孔膜的染料吸附量，從而彌補板鈦礦TiO2表面染料錨定吸附位點密度低的缺陷，進而提高板鈦礦TiO2基DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率。本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案具體如下：一種小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體的制備方法，包括以下步驟：1)冰水浴條件下，將四氯化鈦滴加到去離子水中，然后依次加入尿素固體、乳酸鈉溶液和硝酸鉛溶液，攪拌均勻，得到前驅(qū)體溶液；2)將步驟1)所得的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中200℃水熱反應20h；3)對步驟2)得到的產(chǎn)物依次進行離心分離、洗滌、干燥，然后以2℃/min的速率升溫至500℃，煅燒3h，即得到小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體。步驟1)中，所述四氯化鈦和去離子水的質(zhì)量比為1:15，所述四氯化鈦和尿素的質(zhì)量比為1:1.8，乳酸鈉溶液中乳酸鈉的濃度為60wt％，所述的去離子水和乳酸鈉溶液的體積比為1:8，所述四氯化鈦和硝酸鉛的摩爾比為99:1。步驟3)中，所述的洗滌方式為：先用去離子水洗滌，再用乙醇洗滌。步驟3)中，所述的干燥方式為：70℃空氣干燥。一種小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體，由上述小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體的制備方法制備得到。上述小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體在染料敏化太陽能電池中的應用。一種染料敏化板鈦礦TiO2光陽極，通過以下方法制備得到：1)將上述小粒徑板鈦礦TiO2粉體與乙醇、松油醇、醋酸和乙基纖維素一同球磨混合12h，制備得到小粒徑板鈦礦TiO2光陽極漿料；2)以膠帶控制膜厚，使用刮刀法將上述制備得到的小粒徑板鈦礦TiO2光陽極漿料刮涂在FTO導電玻璃上，晾干后置于馬弗爐中，程序升溫至500℃，煅燒30min以去除膜內(nèi)的有機物，得到板鈦礦TiO2多孔膜光陽極；3)將制備得到的板鈦礦TiO2多孔膜光陽極浸漬到0.3mM N719乙醇溶液中過夜，即得到染料敏化板鈦礦TiO2光陽極。上述染料敏化板鈦礦TiO2光陽極在光電領(lǐng)域中的應用。用夾子將該染料敏化板鈦礦TiO2光陽極與濺射鉑的ITO玻璃對電極面對面夾在一起，將液態(tài)電解質(zhì)注入到兩者的空隙中，組成三明治結(jié)構(gòu)的DSSCs。本專利技術(shù)以簡單的水熱合成方法制備的小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體，以粒徑約為10nm的板鈦礦TiO2納米粒子為主體，還含有少量的長度約為100nm的板鈦礦TiO2納米棒。該產(chǎn)物不僅具有高的晶相純度和熱穩(wěn)定性，而且具有比商品TiO2納米粒子(P25，其粒徑約為20nm，比表面積約為50m2/g)更小的粒徑(約為10nm)和更大的比表面積(約為122m2/g)，有利于增大染料吸附量，可有效地克服板鈦礦TiO2作為光陽極材料存在的染料吸附量較低和電子收集效率較差的固有缺陷，從而為板鈦礦TiO2基DSSCs的光電轉(zhuǎn)換性能的改善提供了一條全新的思路。采用傳統(tǒng)方法制備漿料所構(gòu)建的板鈦礦TiO2基DSSCs有效地克服了板鈦礦TiO2作為光陽極材料所存在的染料吸附量較低和電子收集效率較差的固有缺陷，顯著地提高了板鈦礦TiO2基DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點和有益效果：1、本專利技術(shù)原材料廉價易得，合成工藝簡單，且得到的產(chǎn)物為高晶相程度、熱穩(wěn)定性良好的板鈦礦TiO2納米粒子。2、本專利技術(shù)得到的產(chǎn)物主要成分是粒徑為～10nm的板鈦礦TiO2納米粒子，其比表面積約為122m2/g，遠遠大于商品TiO2納米粉體(P25)的比表面積(約為50m2/g)，可以有效地增大光陽極多孔膜的染料吸附量，從而彌補板鈦礦TiO2表面染料錨定位點密度低的不足。3、本專利技術(shù)制備的板鈦礦TiO2更負的平帶電位和費米能級，和其表面較低的活性可以減少電子的復合，從而使其DSSCs具有較高的開路電壓。4、本專利技術(shù)將制備的小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體構(gòu)建成板鈦礦基DSSCs，其最優(yōu)光電轉(zhuǎn)換效率高達6.36％，遠高于同等條件下構(gòu)建的P25基DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率(5.22％)。附圖說明圖1是合成的小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體的XRD譜。圖2是本專利技術(shù)合成的小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體的TEM圖；圖2(a)為放大10萬倍的TEM圖，圖2(b)為放大100萬倍的TEM圖。圖3是本專利技術(shù)合成的小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體及P25的N2吸附-脫附曲線；其中，曲線(a)代表本專利技術(shù)合成的小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體，曲線(b)代表商品TiO2納米粒子P25。圖4是不同膜厚的小粒徑板鈦礦TiO2基D本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)?冰水浴條件下，將四氯化鈦滴加到去離子水中，然后依次加入尿素固體、乳酸鈉溶液和硝酸鉛溶液，攪拌均勻，得到前驅(qū)體溶液；2)?將步驟1)所得的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，200℃水熱反應20?h；3)?對步驟2)得到的產(chǎn)物依次進行離心分離、洗滌、干燥，然后以2℃/min的速率升溫至500℃，煅燒3?h，即得到小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1) 冰水浴條件下，將四氯化鈦滴加到去離子水中，然后依次加入尿素固體、乳酸鈉溶液和硝酸鉛溶液，攪拌均勻，得到前驅(qū)體溶液；2) 將步驟1)所得的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，200℃水熱反應20 h；3) 對步驟2)得到的產(chǎn)物依次進行離心分離、洗滌、干燥，然后以2℃/min的速率升溫至500℃，煅燒3 h，即得到小粒徑板鈦礦TiO2納米粉體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體的制備方法，其特征在于：步驟1）中，所述四氯化鈦和去離子水的質(zhì)量比為1:15，所述四氯化鈦和尿素的質(zhì)量比為1:1.8，乳酸鈉溶液中乳酸鈉的濃度為60wt%，所述的去離子水和乳酸鈉溶液的體積比為1:8，所述四氯化鈦和硝酸鉛的摩爾比為99:1。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小粒徑板鈦礦二氧化鈦納米粉體的制備方法，其特征在于：步驟3）中，所述的洗滌方式為：先用去離子水洗滌，再用乙醇洗滌。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小粒徑板鈦礦二...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：彭天右，徐瑾蕾，
申請(專利權(quán))人：武漢大學，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北;42