CN102008950A

CN102008950A - Er掺杂纳米晶TiO2的制备方法

Info

Publication number: CN102008950A
Application number: CN 201010528571
Authority: CN
Inventors: 杨玉林; 周密; 范瑞清
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2011-04-13

Abstract

Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法，它涉及一种Er掺杂TiO₂的制备方法。本发明解决了现有掺杂TiO₂的方法存在的离子掺杂含量低、可见光活性差、载流子浓度低的问题。方法：一、配制硝酸铒混合液；二、配制钛酸四丁酯醇溶液；三、配制混合液；四、制备干凝胶；五、保温处理即得到Er掺杂纳米晶TiO₂。本发明得到的Er掺杂纳米晶TiO₂中离子掺杂含量高；本发明得到的Er掺杂纳米晶TiO₂可见光活性好、载流子浓度高；本发明得到的Er掺杂纳米晶TiO₂用于薄膜染料敏化太阳能电池，光生电流明显增大，通过调控在Er的量来扩大TiO₂对太阳光的光谱响应范围及相应强度。

Description

Er掺杂纳米晶TiO2的制备方法

技术领域

本发明涉及一种Er掺杂TiO₂的制备方法。

背景技术

染料敏化太阳能电池近年来受到世界范围内的持续的关注，逐渐成为研究的热点，用于染料敏化太阳能电池的光阳极材料主要有TiO₂，ZnO，SnO₂等，TiO₂由于低廉的价格，快速的电子-空穴分离成为染料敏化太阳能电池的光阳极材料，TiO₂是一种宽禁带半导体，对光的吸收范围窄，只有能量大于或等于禁带宽度的紫外线才能激发TiO₂产生光催化和光化学反应，而紫外线仅占太阳自然光辐射的3％～5％左右，同时电子-空穴容易复合，载流子产率低，直接影响光催化和光化学效果，因此，各种办法用来扩大TiO₂对太阳光的光谱响应范围并抑制电子-空穴的复合，研究表明，稀土离子的掺杂能有效改善TiO₂的本征半导体性质，稀土离子取代TiO₂中的Ti使TiO₂在不降低紫外光下活性的同时对太阳光的光谱响应范围变大，可以有效的拓展TiO₂的光谱响应范围，提高其对可见光的利用率。目前掺杂TiO₂主要有以下几种方法：高温热处理法，磁控溅射法，脉冲激光沉积法，机械化学法和湿化学法，但是这些方法还普遍存在着离子掺杂含量低、可见光活性差、载流子浓度低的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有掺杂TiO₂的方法存在的离子掺杂含量低、可见光活性差、载流子浓度低的问题，而提供了Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法。

本发明Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法按照以下步骤进行：一、在磁力搅拌转度为100～120r/min的条件下，将0.198～1.98g的五水硝酸铒溶解于40mL无水乙醇中，再加入10mL去离子水和10mL冰醋酸得到硝酸铒混合液；二、在磁力搅拌转度为100～120r/min的条件下，将20mL钛酸四丁酯溶于40mL无水乙醇中即得到钛酸四丁酯醇溶液；三、在冰水浴中，磁力搅拌转度为100～120r/min的条件下，将步骤一的硝酸铒混合液以30～40滴/min的速度加入到步骤二的钛酸四丁酯醇溶液中得到混合液；四、步骤三的混合液静置22～26h后，在90～110℃条件下干燥6～8h，得到干凝胶；五、步骤四的干凝胶置于马弗炉中，马弗炉以1～3℃/min的速度升温至600～800℃，保温6～8h，即得到Er掺杂纳米晶TiO₂。

本发明的方法合理的控制了反应条件，将Er掺杂到TiO₂中，解决了的金属离子掺杂不均匀，不易掺杂到晶格中的问题，本发明方法得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的分子式为Ti_1-xEr_xO₂，式中X＝0.01～0.1，本发明得到的Er掺杂纳米晶TiO₂中离子掺杂含量高；本发明得到的Er掺杂纳米晶TiO₂电子-空穴复合被有效抑制，载流子浓度增加，光谱响应范围扩大，且本发明得到的Er掺杂纳米晶TiO₂对可见光电流转化率高，以本发明上转换发光材料Er掺杂纳米晶TiO₂为染料敏化太阳能光阳极的光电流转化率提高了10％～60％；本发明得到的Er掺杂纳米晶TiO₂用于薄膜染料敏化太阳能电池，光生电流明显增大，通过调控在Er的量来扩大TiO₂对太阳光的光谱响应范围及相应强度；本发明得到的Er掺杂纳米晶TiO₂可见光活性好、载流子浓度高。

附图说明

图1是具体实施方式十一得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的XRD图，其中A表示锐钛矿；图2是具体实施方式十一得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的SEM图；图3是具体实施方式十一得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的上转化发光谱图；图4是具体实施方式十一得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的SPS图；图5是具体实施方式十一得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的UV-VIS图谱。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法按照以下步骤进行：一、在磁力搅拌转度为100～120r/min的条件下，将0.198～1.98g的五水硝酸铒溶解于40mL无水乙醇中，再加入10mL去离子水和10mL冰醋酸得到硝酸铒混合液；二、在磁力搅拌转度为100～120r/min的条件下，将20mL钛酸四丁酯溶于40mL无水乙醇中即得到钛酸四丁酯醇溶液；三、在冰水浴中，磁力搅拌转度为100～120r/min的条件下，将步骤一的硝酸铒混合液以30～40滴/min的速度加入到步骤二的钛酸四丁酯醇溶液中得到混合液；四、步骤三的混合液静置22～26h后，在90～110℃条件下干燥6～8h，得到干凝胶；五、步骤四的干凝胶置于马弗炉(自动程序升温的马弗炉)中，马弗炉以1～3℃/min的速度升温至600～800℃，保温6～8h，即得到Er掺杂纳米晶TiO₂。

本实施方式的方法合理的控制了反应条件，将上转换发光材料Er掺杂到TiO₂，解决了的金属离子掺杂不均匀，不易掺杂到晶格中的问题，本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的分子式为Ti_1-xEr_xO₂，式中X＝0.01～0.1，本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂中离子掺杂含量高；本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂电子-空穴复合被有效抑制，载流子浓度增加，光谱响应范围扩大，且本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂对可见光电流转化率高，以本实施方式上转换发光材料Er掺杂改性的纳米晶TiO₂为染料敏化太阳能光阳极的光电流转化率提高了10％～60％，本实施方式通过控制步骤一的五水硝酸铒的量来控制稀土掺杂改性的掺杂量和上转换强度，上转换发光材料的光谱响应范围扩大到近红外光区。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中磁力搅拌转度为105～115r/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中磁力搅拌转度为110r/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：步骤二中磁力搅拌转度为105～115r/min。其他步骤及参数与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：步骤二中磁力搅拌转度为110r/min。其他步骤及参数与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：步骤三中硝酸铒混合液以32～38滴/min的速度加入到步骤二的钛酸四丁酯醇溶液中。其他步骤及参数与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：步骤三中硝酸铒混合液以35滴/min的速度加入到步骤二的钛酸四丁酯醇溶液中。其他步骤及参数与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：步骤四中静置24h。其他步骤及参数与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是：步骤四中在100℃条件下干燥7h。其他步骤及参数与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是：步骤五中马弗炉以2℃/min的速度升温至700℃，保温7h。其他步骤及参数与具体实施方式一至九相同。

具体实施方式十一：本实施方式本实施方式Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法按照以下步骤进行：一、在磁力搅拌转度为110r/min的条件下，将1.28g的五水硝酸铒溶解于40mL无水乙醇中，再加入10mL去离子水和10mL冰醋酸得到硝酸铒混合液；二、在磁力搅拌转度为110r/min的条件下，将20mL钛酸四丁酯溶于40mL无水乙醇中即得到钛酸四丁酯醇溶液；三、在冰水浴中，磁力搅拌转度为110r/min的条件下，将步骤一的硝酸铒混合液以30～40滴/min的速度加入到步骤二的钛酸四丁酯醇溶液中得到混合液；四、步骤三的混合液静置24h后，在100℃条件下干燥7h，得到干凝胶；五、步骤四的干凝胶置于马弗炉中，马弗炉以2℃/min的速度升温至700℃，保温7h，即得到Er掺杂纳米晶TiO₂。

本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的XRD图如图1所示，从图1可以看出本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的特征峰为标准特征峰，本实施方式合成的Er掺杂纳米晶TiO₂为锐钛矿晶型；本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的SEM图如图2所示，从图2可以看出本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂为圆球状，颗粒尺寸为纳米级；本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的上转化发光谱图如图3所示，从图3可以看出本实施方式得到的以Er掺杂纳米晶TiO₂在980nm激光源的照射下吸收近红外光，在可见光区发光的上转换发光谱图；本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的SPS图如图4所示，从图4可以看出本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂表面光电压谱图中，又有新的峰值响应，载流子复合被有效抑制；本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的UV-VIS图如图5所示，从图5可以看出本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂在可见光区出现吸收峰，光谱响应范围有效扩大，载流子浓度提高。

本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂的分子式为Ti_1-xEr_xO₂，式中X＝0.01～0.1，本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂中离子掺杂含量高；本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂电子-空穴复合被有效抑制，载流子浓度增加，光谱响应范围扩大，且本实施方式得到的Er掺杂纳米晶TiO₂对可见光电流转化率高，以本实施方式上转换发光材料Er掺杂改性的纳米晶TiO₂为染料敏化太阳能光阳极的光电流转化率提高了20～40％，本实施方式通过控制步骤一的五水硝酸铒的量来控制稀土掺杂改性的掺杂量和上转换强度，上转换发光材料的光谱响应范围扩大到近红外光区。

Claims

1.Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法，其特征在于Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法按照以下步骤进行：一、在磁力搅拌转度为100～120r/min的条件下，将0.198～1.98g的五水硝酸铒溶解于40mL无水乙醇中，再加入10mL去离子水和10mL冰醋酸得到硝酸铒混合液；二、在磁力搅拌转度为100～120r/min的条件下，将20mL钛酸四丁酯溶于40mL无水乙醇中即得到钛酸四丁酯醇溶液；三、在冰水浴中，磁力搅拌转度为100～120r/min的条件下，将步骤一的硝酸铒混合液以30～40滴/min的速度加入到步骤二的钛酸四丁酯醇溶液中得到混合液；四、步骤三的混合液静置22～26h后，在90～110℃条件下干燥6～8h，得到干凝胶；五、步骤四的干凝胶置于马弗炉中，马弗炉以1～3℃/min的速度升温至600～800℃，保温6～8h，即得到Er掺杂纳米晶TiO₂。

2.根据权利要求1所述的Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法，其特征在于步骤一中磁力搅拌转度为105～115r/min。

3.根据权利要求1或2所述的Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法，其特征在于步骤三中硝酸铒混合液以32～38滴/min的速度加入到步骤二的钛酸四丁酯醇溶液中。

4.根据权利要求3所述的Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法，其特征在于步骤四中静置24h。

5.根据权利要求4所述的Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法，其特征在于步骤四中在100℃条件下干燥7h。

6.根据权利要求5所述的Er掺杂纳米晶TiO₂的制备方法，其特征在于步骤五中马弗炉以2℃/min的速度升温至700℃，保温7h。