CN103145183A - 一种三维TiO2网状纳米材料、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

一种三维TiO2网状纳米材料、制备方法及应用，属于染料敏化太阳能电池领域。其是将二氧化钛加入到氢氧化钠溶液中，磁力搅拌后将混合溶液转移到水热釜中，水热反应降温后将反应物进行离心操作，再将离心产物用稀盐酸和去离子水洗涤并离心；离心产物烘干后的粉体于400～500℃条件下烧结2～5小时，自然降温到室温后得到三维TiO2网状纳米材料。该制备方法效率高、成本低、方法简单、实验周期短、制得的二氧化钛的比表面积大以及连接性好，可以用于大批量生产高比表面积的二氧化钛。由于该方法制得的二氧化钛具有超高比表面积，所以可以广泛应用于光催化、光化学、锂电池以及太阳能电池等领域。

Description

一种三维TiO2网状纳米材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池领域，具体涉及一种三维TiO2网状纳米材料、制备方法及在光催化、光化学、锂电池或太阳能电池中的应用。
背景技术
能源问题是制约目前世界经济发展的首要问题，太阳能作为一种取之不尽用之不竭，无污染洁净的天然绿色能源而成为最有希望的能源之一。目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是硅系太阳能电池，但硅系电池原料成本高，生产工艺复杂，效率提高潜力有限，其光电转换效率的理论极限值为30%，限制了其民用化，急需开发低成本的太阳能电池。
1991年瑞士学者等在Nature上发表文章，提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳米晶薄膜为光阳极的太阳能电池，其具有制作简单、成本低廉、效率高和寿命长等优点，光电转换效率目前可以达到11%以上，因此成为新一代太阳能电池的主要研究方向。
二氧化钛纳米晶薄膜是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，其承载着染料的吸附，电子的传输和对入射光的散射等任务。目前，二氧化钛纳米晶的形貌主要包括：纳米粒子、纳米球、纳米棒和纳米管等等。高比表面积二氧化钛纳米晶一直是染料敏化太阳能电池光阳极材料所追求的对象。主要制备方式包括：水热合成法、气相沉积法、溶胶—凝胶法、水解沉淀法等等。制备出的材料的比表面积大概在100m2/g左右。在染料敏化太阳能电池中，具有大比表面积二氧化钛光阳极材料有着广泛的前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种二氧化钛材料及其制备方法。
本发明提供一种三维TiO2网状纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
称取0.05～0.15g二氧化钛加入到60～80mL、浓度为5～10mol/L的氢氧化钠溶液中，磁力搅拌5～20分钟，然后将混合溶液转移到水热釜中，在120～150℃条件下水热反应30～300分钟；自然降温到室温后打开水热釜，倒出反应物进行离心操作，离心速率为10000～15000转/分钟；将离心产物分别用浓度为0.1～0.2mol/L的稀盐酸和去离子水洗涤并离心，各重复3～5次；把最后的离心产物于60～80℃条件下真空烘干8～10小时；将烘干后的粉体于400～500℃条件下烧结2～5小时，升温速率为2～10℃/min，自然降温到室温，从而得到本发明所述的三维TiO2网状纳米材料。
本发明提供一种三维TiO2网状纳米材料，其是由上述方法制备的。
本发明的有益效果：该制备方法效率高、成本低、方法简单、实验周期短、制得的二氧化钛的比表面积大以及连接性好，可以用于大批量生产高比表面积的二氧化钛。由于该方法制得的二氧化钛具有超高比表面积，所以可以广泛应用于光催化、光化学、锂电池以及太阳能电池等领域。
将本发明所述的三维TiO2网状纳米材料作为光阳极材料用于制备染料敏化太阳能电池，其是将上述的三维TiO2网状纳米材料溶于水制备成浆料，然后用刮涂法刮涂于FTO导电玻璃上，再于450～500℃烧结30～60分钟，升温速率1～3min/℃，烧结后得到光阳极材料薄膜的厚度为12～20μm。
附图说明
图1：本发明实施例1制备的三维TiO2网状纳米材料放大4万倍的扫描电镜图片；
图2：本发明实施例2制备的三维TiO2网状纳米材料放大4万倍的扫描电镜图片；
图3：本发明实施例1制备的三维TiO2网状纳米材料的透射扫描电镜图片；
图4：本发明实施例1制备的三维TiO2网状纳米材料的XRD图；
图5：本发明实施例1制备的三维TiO2网状纳米材料的氮气吸附脱附曲线；
图6：本发明实施例1制备的三维TiO2网状纳米材料的孔径分布曲线。
图7：本发明实施例1制备的二氧化钛材料所组装成电池（D.H.Chen,F.Z.Huang,Y.B.Cheng,R.A.Caruso,Adv.Mater.2009,21,2206）的电流-电压曲线。
由图1和图2可知，实施例1和实施例2制备的二氧化钛材料由长短不一的脉络链接而成，从而形成大小不规则的孔洞结构，看上去像蜘蛛网一样疏松多孔，并且具有良好的连接性。
由图3可知，可以看到实施例1制备的二氧化钛材料的内部结构，进一步表明了实施例1制备的二氧化钛材料疏松多孔这一特点和良好的连接性。
由图4可知，实施例1制备的二氧化钛材料有着尖锐的布拉格峰，说明有良好的结晶性。由XRD图像显示，2θ值在25.36、37.86、47.96、54.14、55.08、62.73、68.66、70.37和75.06度符合锐钛矿二氧化钛晶像，2θ值在27.44、36.04、41.36、53.1和56.52度符合金红石二氧化钛晶像。与此同时，用Scherrer公式：D=Kλ/βcosθ，计算实施例1制备的二氧化钛材料的平均晶粒尺寸。其中，λ是X射线的波长（0.15148nm），K谢乐常数（0.89），θ是X射线的衍射峰位置，最后，β是半峰全宽。从而计算出的晶粒尺寸大约为9nm，进一步证明脉络很薄并且疏松。
作为染料敏化太阳能电池的光阳极薄膜材料，应具有较高的比表面积，由图5可知，实施例1制备的二氧化钛材料比表面积为424m2g-1，具有超高的比表面积。
图6显示实施例1制备的二氧化钛材料孔径的大小密集的分布在12nm处。
由图7可知，实施例1制备的二氧化钛材料所组装成电池具有良好的光电转化效率（η），其中，电流密度：Jsc=13.73毫安/厘米2,短路电压：Voc=0.75伏，填充因子：FF=0.71，转化效率：η=7.31%。
具体实施方式
用水热合成法制备二氧化钛纳米网材料，具体过程如下
实施例1
（1）0.1g商用二氧化钛（P25，厂商Degussa，约30纳米）加入到60mL、浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液中；
（2）磁力搅拌5分钟后，将混合溶液转移到100mL水热釜中
（3）把密闭好的水热釜放入烘箱当中，将烘箱加热到120℃后，开始计时，计时90分钟，关闭烘箱，自然降温到室温。
（4）打开水热釜，倒出反应物进行离心操作，离心速率为10000转/分钟。分别先后用浓度为0.2mol/L的稀盐酸和去离子水，洗涤后离心，各反复3次。
（5）把最后的离心产物放入到60℃真空烘箱中，烘干8小时取出。
（6）将烘干后的粉体放入到马弗炉内烧结，烧结温度为450℃，升温速率为10℃/min，烧结时间为2小时，然后自然降至室温，从而得到本发明所述的三维TiO2网状纳米材料，质量为60mg。
实施例2
（1）0.1g商用二氧化钛（P25，厂商Degussa）加入到60mL，浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液中
（2）磁力搅拌20分钟后，将混合溶液转移到100mL水热釜中
（3）把密闭好的水热釜放入烘箱当中，将烘箱加热到150℃后，开始计时，计时120分钟，关闭烘箱，自然降温到室温。
（4）打开水热釜，倒出反应物进行离心操作，离心速率为15000转/分钟。分别先后用浓度为0.2mol/L的稀盐酸和去离子水，洗涤—离心，各反复3次。
（5）把最后的离心产物放入到60℃真空烘箱中，烘干10小时取出。
（6）将烘干后的粉体放入到马弗炉内烧结，烧结温度为450℃，升温速率为10℃/min，烧结时间为5小时，然后自然降至室温。从而得到本发明所述的三维TiO2网状纳米材料，质量为60mg。

Claims (6)

1.一种三维TiO2网状纳米材料的制备方法，其步骤如下：
1)称取0.05～0.15g二氧化钛加入到60～80mL、浓度为5～10mol/L的氢氧化钠溶液中，磁力搅拌5～20分钟；
2)然后将混合溶液在120～150℃条件下水热反应30～300分钟；
3)自然降温到室温后打开水热釜，倒出反应物进行离心；
4)将离心产物分别用浓度为0.1～0.2mol/L的稀盐酸和去离子水洗涤并离心，各重复3～5次；
5)把离心产物于60～80℃条件下真空烘干8～10小时；将烘干后的粉体在400～500℃下烧结2～5小时，自然降温到室温，从而得的三维TiO2网状纳米材料。
2.如权利要求1所述的一种三维TiO2网状纳米材料的制备方法，其特征在于：离心速率为10000～15000转/分钟。
3.如权利要求1所述的一种三维TiO2网状纳米材料的制备方法，其特征在于：烧结的升温速率为2～10℃/min。
4.权利要求1～3任何一项方法所制备的三维TiO2网状纳米材料。
5.权利要求4所述的三维TiO2网状纳米材料在光催化、光化学、锂电池或太阳能电池中的应用。
6.如权利要求5所述的三维TiO2网状纳米材料在光催化、光化学、锂电池或太阳能电池中的应用，其特征在于：作为光阳极材料用于制备染料敏化太阳能电池。
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