【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于太陽能電池電極材料，具體涉及基于環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的二氧化鈦薄膜光陽極、及其制備方法和光電化學應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、光電化學技術(shù)可以直接利用太陽能轉(zhuǎn)化獲取清潔氫能源，是未來解決能源危機及環(huán)境污染問題的重要途徑之一。迄今為止，低成本、宏量制備、基于溶液合成的半導體膠體量子點由于其特有高光吸收系數(shù)、尺寸/組分可調(diào)的光學性質(zhì)，在太陽能轉(zhuǎn)換應(yīng)用展示了巨大的潛力。目前開發(fā)的高性能的量子點光電化學應(yīng)用主要集中于含毒性ii-vi和iv-vi族重金屬cd、pb基量子點，因此開發(fā)不含重金屬元素的環(huán)保型量子點材料以適應(yīng)未來環(huán)保綠色化學發(fā)展具有實際意義。此外，純的量子點由于其表面具有大量缺陷形成復(fù)合中心并且對外界環(huán)境高敏感性，往往存在光學性能和化學穩(wěn)定性差等問題，進一步限制了量子點光電化學應(yīng)用的效率突破。因此，合理設(shè)計及制備不含重金屬的環(huán)保型量子點的高效穩(wěn)定的光電化學系統(tǒng)具有重要意義。
2、現(xiàn)在基于環(huán)境友好型量子點的光電化學光陽極因其在反應(yīng)中光生激子轉(zhuǎn)移/分離緩慢，表現(xiàn)出較低的飽和光電流及光/化學穩(wěn)定性。因此，開發(fā)一種高光生激子分離/轉(zhuǎn)移效率及高效穩(wěn)定的環(huán)保型i-iii-vi族量子點是實現(xiàn)未來綠色環(huán)保、高效太陽能轉(zhuǎn)換應(yīng)用研究發(fā)展的關(guān)鍵。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)提供一種錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的二氧化鈦薄膜光陽極、及其制備方法和光電化學應(yīng)用，利用元素摻雜合理調(diào)控其量子點內(nèi)光生激子分離/轉(zhuǎn)移效率，以推動綠色環(huán)保、高效穩(wěn)定的量子點光電化學領(lǐng)域發(fā)展。
2、為了達到上述目的，本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是：
3、一種基于環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的二氧化鈦薄膜光陽極、及其制備方法和光電化學應(yīng)用，包括以下步驟：
4、s1、利用旋涂法在導電玻璃上制備透明的二氧化鈦阻擋層，待其干燥后，采用刮涂法涂覆二氧化鈦介孔層，高溫煅燒后制得介孔二氧化鈦薄膜光電極；
5、進一步地，步驟s1的具體操作為：以fto導電玻璃為基底，以100μl移液槍吸取60～100μl用量的ti-nanoxide?bl/sc溶液旋涂于基底表面，待其干燥后形成透明的二氧化鈦阻擋層，采用定量刮涂法涂覆二氧化鈦介孔層，在馬弗爐中500℃溫度下高溫煅燒30～50min，加溫速率為5℃/min，自然冷卻后制得介孔二氧化鈦薄膜光電極；
6、進一步地，旋涂加速度和旋涂速度分別為3000轉(zhuǎn)/分鐘、5000轉(zhuǎn)/分鐘，所形成的透明的二氧化鈦阻擋層的厚度為5～7μm，干燥溫度為80℃，刮涂的介孔二氧化鈦層厚度為7～9μm，高溫煅燒溫度為500℃，時間為30～50min；
7、s2、采用共熱法合成高質(zhì)量的銅銦鎵硫量子點，并在高溫成核階段摻雜錳元素，獲得高電荷分離/轉(zhuǎn)移效率的錳摻雜的銅銦鎵硫量子點；
8、進一步地，步驟s2的具體操作為：錳摻雜銅銦鎵硫量子點由以下步驟制得：首先將銅源、銦源、鎵源、溶劑依次加入到50ml三頸燒瓶中，混合后在室溫下脫氣，隨后在氮氣保護下升溫至210℃～230℃，待反應(yīng)溫度穩(wěn)定后逐滴加入硫源和元素錳前驅(qū)體，隨后保溫5～15min，水浴淬火，既得。
9、進一步地，所述量子點合成采用的銅源、銦源、鎵源、溶劑分別為碘化銅、醋酸銦、乙酰丙酮鎵、十八烯，其用量依次為0.125mmol、0.25mmol、0.25mmol、5ml，硫源為十二硫醇，用量為4～6ml，元素錳前驅(qū)體為0.1mmol氯化錳，溶劑為1ml十二硫醇，用量為0.1ml～0.5ml。
10、s3、將介孔二氧化鈦薄膜光電極浸于量子點/甲苯溶液中，并使用電泳沉積法沉積量子點溶液，其干燥后對其表面進行zns鈍化處理，獲得量子點敏化的二氧化鈦薄膜光電化學電池光陽極；
11、進一步地，步驟s3的具體操作為：取定量1～2ml合成的錳摻雜的銅銦鎵硫量子點原液，加入1ml甲苯溶液搖勻后粗離心，離心速率為3000轉(zhuǎn)/分鐘，離心時間為1分鐘，取上層清液并加入乙醇溶液至10ml后進行二次離心，離心速率為12000轉(zhuǎn)/分鐘，離心時間為3～5分鐘，隨后將離心后量子點重新分散至甲苯溶液。
12、進一步地，將介孔二氧化鈦薄膜光電極置于重新分散的量子點/甲苯溶液中，在直流偏置電壓為100～200v下，電泳沉積量子點于介孔二氧化鈦薄膜光電極中，沉積時間為2～3小時，制得量子點敏化的二氧化鈦薄膜光電極。
13、s4、以該量子點敏化的二氧化鈦薄膜光電極為陽極，并與pt對電極和ag/agcl參比電極組裝為量子點光電化學電池。
14、進一步地，步驟s4的二氧化鈦薄膜光電極表面鈍化處理，具體操作為：將光電極浸泡于醋酸鋅溶液1min，在甲醇溶液清洗后氮氣槍吹干，隨后浸泡于九水和硫化鈉溶液1min，在甲醇/水溶液清洗后用氮氣槍吹干，重復(fù)以上操作6～10次，最后氮氣槍吹干，之后表面形成不同厚度的zns保護層，并利用環(huán)氧樹脂進行電極封裝電極表面，以保留約為0.1cm2的工作面積。
15、進一步地，本專利技術(shù)還提供一種基于環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的二氧化鈦薄膜光陽極的光電化學電池，其以錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化光電極作為陽極，pt電極為對電極，參比電極為ag/agcl電極，電解液為硫化鈉/亞硫酸鈉混合水溶液(ph約為12.5)，光源為1個標準太陽輻照氙燈(am1.5g)，強度為100mw/cm2。
16、本專利技術(shù)提供的基于上述環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的二氧化鈦薄膜光陽極、及其制備方法和光電化學應(yīng)用，具有以下有益效果:
17、1、本專利技術(shù)合成了環(huán)保型銅銦鎵硫膠體量子點，通過錳元素摻雜銅銦鎵硫膠體量子點，在保持量子點本身高效光吸收/發(fā)射前提下，提升其光生載流子分離/轉(zhuǎn)移效率及激子壽命。
18、2、本專利技術(shù)通過所合成的錳摻雜的銅銦鎵硫膠體量子點獲得了量子點的敏化二氧化鈦光電化學光陽極，通過表面鈍化以克服光陽極表面光腐蝕，并有效提升了光陽極在光電化學反應(yīng)中的光電/化學穩(wěn)定性。
19、3、基于上述環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點光電化學系統(tǒng)在1個標準太陽輻照(am1.5g，100mw/cm2)具有高效的飽和光電流(～10.5ma/cm2)及優(yōu)異的光電化學穩(wěn)定性，為推動未來低成本、綠色環(huán)保、高性能量子點光電化學制氫系統(tǒng)提供新方法，推動未來新能源領(lǐng)域中光伏制氫等實際工業(yè)應(yīng)用。
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1.一種基于環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的二氧化鈦薄膜光電化學電池光陽極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟S1的具體過程為：以FTO導電玻璃為基底，利用旋涂法在導電玻璃上制備透明的二氧化鈦阻擋層，待其干燥后，采用刮涂法涂覆二氧化鈦介孔層，高溫煅燒后制得介孔二氧化鈦薄膜光電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所形成的透明的二氧化鈦阻擋層的厚度為5～7μm，干燥溫度為80℃，刮涂的介孔二氧化鈦層厚度為7～9μm，高溫煅燒溫度為500℃，時間為30～50min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟S2的具體過程為：所述的共熱法合成量子點主要包括以下步驟：首先將銅源、銦源、鎵源、溶劑依次加入到50mL三頸燒瓶中，混合后在室溫下脫氣，隨后在氮氣保護下升溫至210℃～230℃，待反應(yīng)溫度穩(wěn)定后逐滴加入硫源和元素錳前驅(qū)體，隨后保溫5-15min，水浴淬火，既得。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述量子點合成采用的銅源、銦源、鎵源、溶劑分別為碘
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟S3的具體過程為：將介孔二氧化鈦薄膜光電極浸入量子點純化后重新分散的甲苯溶液中，在直流偏置電壓為100～200V下，電泳沉積量子點于介孔二氧化鈦薄膜光電極中，沉積時間為2～3小時，制得量子點敏化的二氧化鈦薄膜光電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6所述的制備方法，其特征在于，利用連續(xù)離子層沉積法將所制備的量子點敏化的二氧化鈦薄膜光電極表面生長ZnS保護層，具體步驟如下：將光電極浸泡于醋酸鋅溶液1min，在甲醇溶液清洗后氮氣槍吹干，隨后浸泡于九水和硫化鈉溶液1min，在甲醇/水溶液清洗后用氮氣槍吹干，重復(fù)以上操作3～10次，最后氮氣槍吹干，之后利用環(huán)氧樹脂進行電極封裝。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于：上述醋酸鋅溶液的用量為0.1M，溶劑為20mL甲醇溶液；九水和硫化鈉溶液用量為0.1M，溶劑為20mL等體積的甲醇和水的混合溶液，環(huán)氧樹脂封裝后預(yù)留面積為～0.1cm2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8任一項所述的制備方法制得的環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的二氧化鈦薄膜光電化學電陽極。
10.一種基于環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的二氧化鈦薄膜光電化學光陽極的光電化學電池，其特征在于，基于上述環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的光電極為工作電極，Pt電極為對電極，Ag/AgCl為參比電極，電解液為硫化鈉/亞硫酸鈉混合水溶液，光源為1個標準太陽輻照(AM1.5G)，強度為100mW/cm2。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于環(huán)保型錳摻雜銅銦鎵硫量子點敏化的二氧化鈦薄膜光電化學電池光陽極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟s1的具體過程為：以fto導電玻璃為基底，利用旋涂法在導電玻璃上制備透明的二氧化鈦阻擋層，待其干燥后，采用刮涂法涂覆二氧化鈦介孔層，高溫煅燒后制得介孔二氧化鈦薄膜光電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所形成的透明的二氧化鈦阻擋層的厚度為5～7μm，干燥溫度為80℃，刮涂的介孔二氧化鈦層厚度為7～9μm，高溫煅燒溫度為500℃，時間為30～50min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟s2的具體過程為：所述的共熱法合成量子點主要包括以下步驟：首先將銅源、銦源、鎵源、溶劑依次加入到50ml三頸燒瓶中，混合后在室溫下脫氣，隨后在氮氣保護下升溫至210℃～230℃，待反應(yīng)溫度穩(wěn)定后逐滴加入硫源和元素錳前驅(qū)體，隨后保溫5-15min，水浴淬火，既得。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述量子點合成采用的銅源、銦源、鎵源、溶劑分別為碘化銅、醋酸銦、乙酰丙酮鎵、十八烯，其用量依次為0.125mmol、0.25mmol、0.25mmol、5ml，硫源為十二硫醇，用量為4～6ml，元素錳前驅(qū)體為0.1mmol氯化錳，溶劑為1ml十二硫醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：童鑫，楊茜，王志明，
申請(專利權(quán))人：電子科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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