CN102505400B - 一种多孔纳米纤维膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：a.将前驱体溶液与PS纳米微球混合，获得静电纺丝原液；b.对步骤a中的静电纺丝原液进行静电纺丝，获得初级的纳米纤维膜；c.将步骤b中的纳米纤维膜置于炉体中煅烧，去除PS纳米微球，得到多孔纳米纤维膜。本发明在制备过程中添加有一定量的PS纳米微球，可以有效控制多孔纳米纤维中孔的大小与直径，并且使孔有序排列。

Description

一种多孔纳米纤维膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多孔纳米纤维膜的制备方法，属于纳米纤维膜材料技术领域。
背景技术
近十年来，人们面对严峻的环境污染和能源危机，不断地寻求洁净新能源来代替日益枯竭的石化能源。1991年，瑞士洛桑工学院的一名教授报道了以联吡啶钌(II)络合物染料敏化纳米晶多孔二氧化钛薄膜太阳能电池，由于其具有相对低廉的制作成本和简单的制备工艺，引起了人们的极大关注。多孔二氧化钛纳米纤维膜是提高染料敏化太阳能电池效率的有效途径。目前，这类染料敏化太阳能电池的光电转换效率已经超过了11％。
染料敏化太阳能电池通常由染料敏化半导体氧化物膜(通常为二氧化钛)，电解质(含有氧化还原对)和对电极(通常为铂电极)组成。在太阳光的照射下，吸附在多孔纳米晶半导体氧化物膜上的光敏染料吸收能量，其电子受激发跃迁到激发态，然后注入到邻近的半导体导带中，此时染料分子自身转变为氧化态。注入到半导体层的电子富集到导电基底，并通过外电路流向对电极形成电流。处于氧化态的染料分子被还原态的电解质还原，使染料分子再生。与此同时，氧化态的电解质扩散至对电极，在对电极表面被还原，从而形成一个完整的回路。
为了提高上述染料敏化太阳能电池的光电转化效率，现有技术中通常采用静电纺丝技术，将二氧化钛的前驱体钛酸四丁酯与聚合物溶液电纺得到纳米纤维，通过高温煅烧除去聚合物后得到二氧化钛纳米纤维膜孔膜，将其置于二氧化钛纳米粒子上作为光散射层，得到二氧化钛纳米纤维/纳米粒子复合光电极。这种复合光电极由于具有大量纤维形成的网眼，其网眼大小从几十纳米到几微米不等，这种特殊的形态结构极大地提高了电极的有效表面积，便于染料在二氧化钛上吸附，也有利于电解质的渗入。同时，网状二氧化钛纳米纤维比纳米粒子具有更好的电荷传输性能，这样都将有利于光电转换效率的提高。但是现有技术中，二氧化钛纳米纤维膜上孔的直径大小和结构都不易控制。
有鉴于此，有必要提供一种新型的多孔纳米纤维膜的制备方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是提供一种多孔纳米纤维膜的制备方法，所获得的多孔纳米纤维膜上的孔的直径和结构可以控制。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种多孔纳米纤维膜的制备方法，尤其是，包括以下步骤：
a、将前驱体溶液与PS纳米微球混合，获得静电纺丝原液；
b、对步骤a中的静电纺丝原液进行静电纺丝，获得初级的纳米纤维膜；
c、将步骤b中的纳米纤维膜置于炉体中煅烧，去除PS纳米微球，得到多孔纳米纤维膜。
优选的，在上述多孔纳米纤维膜的制备方法中，所述前驱体溶液与PS纳米微球混合后，通过离心、超声手段使得所述PS纳米微球均匀分散于所述前驱体溶液中。
优选的，在上述多孔纳米纤维膜的制备方法中，所述每个PS纳米微球的大小相同。
优选的，在上述多孔纳米纤维膜的制备方法中，所述前驱体溶液包括钛酸丁酯、乙醇和聚乙烯吡咯烷酮。
优选的，在上述多孔纳米纤维膜的制备方法中，所述前驱体溶液与PS纳米微球的质量比为4∶1～10∶1。
优选的，在上述多孔纳米纤维膜的制备方法中，所述步骤b在静电纺丝的过程中，溶液输送的速度为0.5ml/min，两电极间的距离为10cm，施加的电压为10kv。
优选的，在上述多孔纳米纤维膜的制备方法中，所述步骤c中纳米纤维膜先置于炉体中以240℃～350℃的温度进行煅烧，然后再升温至400℃～550℃的温度进行煅烧。
优选的，在上述多孔纳米纤维膜的制备方法中，所述纳米纤维膜于炉体中以240℃～350℃的温度进行煅烧的时间为1～2小时。
优选的，在上述多孔纳米纤维膜的制备方法中，所述纳米纤维膜于炉体中以400℃～550℃的温度进行煅烧的时间为1～2小时。
与现有技术相比，本发明在制备过程中添加有一定量的PS纳米微球，可以有效控制多孔纳米纤维中孔的大小与直径，并且使孔有序排列。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明多孔纳米纤维膜制备方法的示意图；
图2所示为依本发明具体实施例中制备方法所获得的多孔纳米纤维膜在S-4800扫描电镜下得到的测试图；
图3所示为依本发明具体实施例中制备方法所获得的多孔纳米纤维膜在S-4800扫描电镜下得到的另一测试图。
具体实施方式
本发明目的在于提供一种多孔纳米纤维膜的制备方法，所获得的多孔纳米纤维膜上的孔的直径和结构可以控制。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中的多孔纳米纤维膜可以通过以下实验获得，优选的，以多孔二氧化钛纳米纤维膜为例。但是在其他实施方式中，本发明的多孔纳米纤维膜的制备方法也可以用以制备其他无极纳米纤维，例如：多孔二氧化锆纳米纤维膜的制备。
一、实验试剂
表1：
  试剂   品牌   用量   备注
  钛酸丁酯   ENOX   0.6g   化学纯
  PVP   阿拉丁   0.2g
  PS纳米微球   自己合成   0.1g(左右)   180nm
  无水乙醇   1.4g(左右)   化学纯
二、实验仪器
S-4800扫描电镜、静电纺丝装置等
三、实验过程和方法
参图1所示，多孔二氧化钛纳米纤维膜的制备方法如下：
1、按照表1中试剂以及其用量进行称取，将0.2g的PVP(聚乙烯吡咯烷酮)加入1.4g的无水乙醇中溶解，然后再加入0.6g的钛酸丁酯，获得前驱体溶液；
2、称取0.1g左右的PS(聚苯乙烯)纳米微球，将其加入步骤1中的前驱体溶液，然后通过离心超声等技术手段使PS纳米微球均匀分散在前驱体溶液中，获得静电纺丝原液，每个PS纳米微球均具有同样的结构和大小；
3、将步骤2中得到的静电纺丝原液进行静电纺丝，调节溶液输送速率为0.5ml/min，施加电压为10kv，极板间距离为10cm，在其极板上得到初级的二氧化钛纳米纤维膜。
4、初级的二氧化钛纳米纤维膜经过空气充分水解后，将其放置于马弗炉中以350℃煅烧1小时，然后再升温至450℃煅烧1小时，即可得到有序多孔结构的二氧化钛纳米纤维膜。
上述步骤4中通过煅烧以除去纳米纤维材料中的PS纳米微球以及其他一些有机物质。由于PS纳米微球的结构和直径都易于控制，所以获得的纳米纤维膜上的孔的直径是可以控制的。
四、实验结果
参图2和图3所示，本发明使用自己合成的均匀、大小一致的PS纳米球作为多孔结构支撑体，可以有效控制二氧化钛纳米纤维中孔的大小与直径，并且使孔有序排列。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种多孔纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 
a、将前驱体溶液与粒径为180nm的PS纳米微球混合，所述每个PS纳米微球的大小相同,所述前驱体溶液与PS纳米微球混合后，通过离心、超声手段使得所述PS纳米微球均匀分散于所述前驱体溶液中,获得静电纺丝原液,所述前驱体溶液包括钛酸丁酯、无水乙醇和聚乙烯吡咯烷酮； 
b、对步骤a中的静电纺丝原液进行静电纺丝，获得初级的纳米纤维膜； 
c、将步骤b中的纳米纤维膜置于炉体中煅烧，去除PS纳米微球，得到多孔纳米纤维膜， 
所述步骤c中纳米纤维膜先置于炉体中以240℃～350℃的温度进行煅烧，然后再升温至400℃～550℃的温度进行煅烧。 
2.根据权利要求1所述的多孔纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述钛酸丁酯与PS纳米微球的质量比为4:1～10:1。 
3.根据权利要求1所述的多孔纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述步骤b在静电纺丝的过程中，溶液输送的速度为0.5ml/min，两电极间的距离为10cm,施加的电压为10kV。 
4.根据权利要求1所述的多孔纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述纳米纤维膜于炉体中以240℃～350℃的温度进行煅烧的时间为1～2小时。 
5.根据权利要求1所述的多孔纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述纳米纤维膜于炉体中以400℃～550℃的温度进行煅烧的时间为1～2小时。 
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多孔炭纳米纤维膜的制备及其储电性能研究;李晓艳;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》;20100731(第7期);摘要、正文第2.3节，3.2节，3.4节，4.2节 *
李晓艳.多孔炭纳米纤维膜的制备及其储电性能研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》.2010,(第7期),摘要、正文第2.3节，3.2节，3.4节，4.2节.

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