CN102222573A

CN102222573A - 一种二氧化钛纳米晶电极的制备方法

Info

Publication number: CN102222573A
Application number: CN2011100735273A
Authority: CN
Inventors: 陈娣; 王卓然; 沈国震
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: CN102222573B

Abstract

本发明提供了一种以碳布为基底在表面生长二氧化钛纳米棒阵列的制备柔性电极的方法，该方法包括以下步骤：（1）将碳布放入由钛酸丁酯、盐酸和水的混合溶液中，其中钛酸丁酯的体积百分比为4%~5%，盐酸的体积百分比为41%~52%，其余为水；（2）将含有碳布的混合溶液在170℃~200℃下，采用微波加热40分钟~1小时，得到二氧化钛纳米晶电极。在步骤（1）之前还包括清洗步骤，即将碳布采用丙酮、水和乙醇各超声处理30~60分钟。该方法有效解决了常规光电阳极制备工艺中二氧化钛颗粒与基底结合不牢固，无序生长的问题，首次将二氧化钛纳米棒阵列均匀牢固的生长在了碳布表面，一次性合成，方法简单，反应原料成本低廉，高效快速，利于推广。

Description

一种二氧化钛纳米晶电极的制备方法

技术领域

本发明属于光电转化太阳能电池领域，特别涉及一种用于染料敏化太阳能电池的二氧化钛纳米晶电极的制备方法。

背景技术

二氧化钛是一种应用非常广泛的材料，俗称钛白或钛白粉，主要用途有用作颜料，光催化剂等。而近年来，随着纳米材料的广泛研究，纳米晶二氧化钛受到越来越多的关注。纳米二氧化钛作为电极材料主要应用在染料敏化太阳能电池领域。形貌对于性能有着重要的影响，迄今为止，已经研究出了不同尺度二氧化钛的纳米线，纳米棒，纳米管，颗粒以及由这些基本形貌组合而成的三维复合结构，合成方法主要有溶胶凝胶法，水热法，化学气象沉积法(参见Chemical Reviews杂志，107卷，7期，2891-2959页(2007年6月23日))。而这些方法都需要高温或者长时间反应，造成能源利用率不高，生产效率偏低。例如，水热法大多需要反应10小时以上甚至更长，而用化学气相沉积则多需要温度达到700℃以上。相比而言，微波法反应时间一般不超过一个小时，温度不超过200℃，具有速度快，效率高，利于推广的优点，并且其不同于常规的加热方式能够使产物得到新的形貌，具有很高的研究价值。

染料敏化纳米晶太阳能电池具有引人瞩目的高能量转换效率以及低成本特征，近年来得到飞速发展报道能获得10.4％的光电转换效率(参见Nature杂志，353卷，第737-738页(1991年10月24日))。用于吸附染料传导电子的二氧化钛光电阳极作为器件的主要部件，采用电子传输率高，比表面积大的材料能够提高电池的光电转化效率。采用的电极基底多是镀有导电薄膜的FTO和ITO玻璃，虽然一定程度上提高了光的利用率，但同时由于体积质量较大，无柔韧性，因而降低了电池的便携性和实用性。采用导电性好并且具有柔性的基底作为电极是提高染料敏化太阳能电池实用性的关键所在。但常规的有机聚合物柔性基底大多不耐高温，不稳定，导电性差，成本较高。

常规光电阳极制备工艺中应用多是二氧化钛颗粒，电子传输效率并不高，与基地接触性不好，而在基底上直接生长单晶的电子传输率高的二氧化钛，报道的主要是水热法在FTO玻璃上能生长出结合比较紧密均匀的二氧化钛纳米棒阵列，而其他基底均存在结合不牢固，易剥落，结构不均一，无序生长的缺点，同时这种电极对染料的吸附较差，减弱了对可见光的相应，使得制备的太阳能电池效率较低(参见Applied Physics Letters杂志，96卷，26期，文献编号：263104(2010年6月28日))。

发明内容

本发明的目的是提供一种以碳布为基底在表面生长二氧化钛纳米棒阵列的制备柔性电极的方法，该方法采用微波法制备出均匀生长在碳布表面的二氧化钛纳米棒阵列的复合结构，有效解决了常规光电阳极制备工艺中二氧化钛颗粒与基底结合不牢固，无序生长的问题。

本发明提供了一种二氧化钛纳米晶电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳布放入由钛酸丁酯、盐酸和水的混合溶液中，其中钛酸丁酯的体积百分比为4％～5％，盐酸的体积百分比为41％～52％，其余为水；

(2)将含有碳布的混合溶液在170℃～200℃下，采用微波加热40分钟～1小时，得到在表面附着二氧化钛薄膜的碳布，即二氧化钛纳米晶电极。

进一步的，在步骤(1)之前还包括清洗步骤，即将碳布分别依次采用丙酮、水和乙醇各超声处理30～60分钟。

本发明具有如下有益效果：

1、针对目前染料敏化太阳能电池光电阳极基底常用的硬质FTO或ITO玻璃存在的体积大，便携性差，以及常规柔性的有机聚合物基底存在着不耐高温，不稳定，导电性差，成本较高的缺点，本发明采用柔软并且导电性好的碳布作为基底，在表面生长二氧化钛作为染料敏化太阳能电池的电极，有利于制作便携式柔性太阳能电池，同时由碳纤维编制的碳布具有多孔结构，便于帮助吸附染料，结构具有一定新颖性并具有很高的实用价值。

2、针对目前染料敏化太阳能电池二氧化钛电极制备工艺方面，常用浆料涂抹高温烧结，或直接生长二氧化钛纳米棒阵列仅能均匀生长在少数基底上，如FTO，钛片，并且反应过程复杂，能耗高，时间长。本发明采用洗净的碳布，钛酸丁酯和盐酸用微波加热的方式反应首次将二氧化钛纳米棒阵列均匀牢固的生长在了碳布表面，一次性合成，方法简单，反应原料成本低廉，高效快速，利于推广。

3、采用本发明所述的方法制备的生长在碳布表面的单晶一维二氧化钛纳米棒阵列具有比颗粒高的电子传输速率和比表面积，由于碳布的多孔结构和良好的导电性，增加了对染料的吸附性，本发明在染料敏化太阳能电池中作为光电阳极具有较大的优势。同时本发明采用微波法在较低温度下快速合成材料，方法简单有效，有利于本发明柔性电极的制备方法的推广。

4、采用本发明所述的方法采用清洗步骤对碳布进行清洗，有利于二氧化钛在碳布表面均匀生长。

附图说明

图1实施例2中所制备的电极放大2000倍的扫描电子显微镜照片；

图2实施例2中所制备的电极放大4000倍的扫描电子显微镜图谱。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明：

实施例1

直接用钛酸丁酯、盐酸和水配置混合溶液，其中钛酸丁酯的体积百分比为4.8％，盐酸的体积百分比为48％，其余为水。将上述混合溶液放入微波消解罐中，再加入碳布，将消解罐放入微波化学工作站中，设定温度180℃微波加热反应50分钟，得到二氧化钛纳米晶电极，从其扫描电子显微镜图谱中可以看出在碳纤维表面均匀的生长了一层整齐的二氧化钛纳米棒阵列，但有少量的碳纤维没有被二氧化钛纳米棒完全包覆。

实施例2

将碳布进行清洗，即分别依次采用丙酮，水，酒精，各超声30分钟，得到洗净的碳布。由钛酸丁酯、盐酸和水配置混合溶液，其中钛酸丁酯的体积百分比为4.8％，盐酸的体积百分比为48％，其余为水，将上述混合溶液放入微波消解罐中，再加入处理好的碳布，将消解罐放入微波化学工作站中，设定温度180℃微波加热反应50分钟，得到在表面有一层牢固附着的二氧化钛薄膜的碳布，即二氧化钛纳米晶电极。

该方法在清洗步骤中采用的丙酮用于碳布上有机物杂质的清洗，水用于洗去灰尘，酒精用于最后清洗处理，并能够快速干燥，可以得到洗净的碳布，有利于二氧化钛在碳布表面均匀生长。

制备的二氧化钛纳米晶电极可以通过改变碳布在反应罐中放置的位置来控制二氧化钛在碳布上的分布，浸在溶液中的部分在碳布表面生长出一层均匀白色绒毛状的二氧化钛，在溶液之上的部分为黑色的未生长二氧化钛的碳布，具有很好的导电性。并且此制备的纳米晶电极具有很好的柔韧性，可以大角度弯折。图1为放大2000倍的扫描电子显微镜照片，可以看出二氧化钛阵列整齐均匀排布在碳纤维表面。图2为放大4000倍的扫描电子显微镜图谱，其中1为碳纤维，2为生长在碳纤维表面的二氧化钛纳米棒阵列。从此扫描电子显微镜图谱中可以看出在10um左右的碳纤维表面均匀的生长了一层整齐的二氧化钛纳米棒阵列，直径50nm～200nm，长度3um～4um。

实施例3

将碳布进行清洗，即分别采用丙酮，水，酒精，各超声60分钟，得到洗净的碳布。由钛酸丁酯、盐酸和水配置混合溶液，其中钛酸丁酯的体积百分比为4.5％，盐酸的体积百分比为41％，其余为水，将上述混合溶液放入微波消解罐中，再放入处理好的碳布，将消解罐放入微波化学工作站，设定温度170℃微波加热1小时，既得到一层牢固附着在碳布表面的二氧化钛纳米棒阵列，从扫面式电子显微镜照片可以看出，此电极与实施例2中相比，二氧化钛纳米棒稍细一些，仍在表面垂直排列，无显著差别。

实施例4

同实施例2方法清洗碳布，由钛酸丁酯、盐酸和水配置混合溶液，其中钛酸丁酯的体积百分比为5％，盐酸的体积百分比为45％，其余为水，将上述混合溶液放入微波消解罐中，再放入处理好的碳布，将消解罐放入微波化学工作站，设定温度180℃微波加热1小时，也得到与实施例3、4相同的纳米棒电极，从扫描式电子显微镜照片可以看出电极表面二氧化钛纳米棒长度稍短，直径也为50nm～200nm，单根纳米棒稍有倾斜，与实施例3、4的结果无显著差别。

实施例5

同实施例2方法清洗碳布，由钛酸丁酯、盐酸和水配置混合溶液，其中钛酸丁酯的体积百分比为4.3％，盐酸的体积百分比为52％，其余为水，将上述混合溶液放入微波消解罐中，再加入处理好的碳布，将消解罐放入微波化学工作站，设定温度200℃微波加热40分钟，也得到纳米棒电极，从扫描式电子显微镜照片可以看出与实施例2、3、4相比电极表面二氧化钛纳米棒长度稍短约1um左右，直径变粗，约50nm～400nm，二氧化钛纳米棒在表面整齐排列，生长均匀。

实施例6

同实施例2方法清洗碳布，由钛酸丁酯、盐酸和水配置混合溶液，其中钛酸丁酯的体积百分比为4％，盐酸的体积百分比为48％，其余为水，将上述混合溶液放入微波消解罐中，再放入处理好的碳布，将消解罐放入微波化学工作站，设定温度180℃微波加热1小时，也得到二氧化钛纳米晶电极，从扫描式电子显微镜照片可以看出与实施例2最为相似，在10um左右的碳纤维表面均匀的生长了一层整齐的二氧化钛纳米棒阵列，直径50nm～200nm，长度3um～4um。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1. 一种二氧化钛纳米晶电极的制备方法，包括以下步骤：

（1）将碳布放入由钛酸丁酯、盐酸和水的混合溶液中，其中钛酸丁酯的体积百分比为4%~5%，盐酸的体积百分比为41%~52%，其余为水；

（2）将含有碳布的混合溶液在170℃~200℃下，采用微波加热40分钟~1小时，得到在表面附着二氧化钛薄膜的碳布，即二氧化钛纳米晶电极。

2. 根据权利要求1所述的二氧化钛纳米晶电极的制备方法，其特征在于，在步骤（1）之前还包括清洗步骤，即将碳布分别依次采用丙酮、水和乙醇各超声处理30~60分钟。