CN102849964B - 二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料的制备方法。该方法过程包括：分别配制二氧化钛P25粉末、乙基纤维素的乙醇溶液，加入正丁醇，水浴蒸出乙醇制成准胶体；以钛酸丁酯、乙醇和乙酸乙酯配制前驱体溶液，以1mol·L^-1硝酸溶液、去离子水和乙醇制溶液，将其滴加到前驱体溶液并离心，取上清液放入准胶体中，研磨后得到二氧化钛料浆，通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到导电玻璃上。在反应釜中，加入去离子水及浓盐酸，然后将上述导电玻璃倾斜放入反应溶液中反应，得到该材料。本发明的优点在于，简单易行，能耗低，制备周期短，易于工业化批量生产，并且制得的材料有利于染料敏化太阳能电池效率的提升。

Description

二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料的制备方法，属于二氧化钛纳米材料技术。

背景技术

纳米二氧化钛因其具有化学性质稳定，禁带宽度合适，光电、介电效应优越和光电化学性质稳定等优点而被广泛应用于制备染料敏化太阳能电池的光阳极。传统的光阳极采用二氧化钛纳米颗粒浆料涂覆制备获得。虽然其具有大的比表面积，染料吸附量多，但由于内部存在大量界面，直接阻碍了光生电子的传输。

为了获得高性能的电子传输能力，一维纳米阵列薄膜开始被广泛研究用于制备光阳极。这些纳米阵列包括纳米线、纳米棒、纳米管阵列。但这些结构的染料吸附量相比于纳米颗粒结构处于劣势，染料吸附量少，光电转换效率没有得到提高。

近年来，一维纳米材料与二氧化钛纳米颗粒混合浆料制备的复合结构光阳极成为了发展新思路。然而，其内部界面的存在，仍然是制约电子传输速率提高的重要因素。因此，如何减少光阳极内部界面，成为了光电转换效率提高的首要问题。关于二氧化钛纳米微晶界面改性结构材料的制备方法，目前尚未见到相关报道。

发明内容

本发明目的旨在提供一种二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料及制备方法。所述的界面融合结构材料具有优良的导电性质和化学稳定性，其制备方法过程简单。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料的制备方法，其特征包括以下过程：

1）将掺氟氧化锡导电玻璃分别依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗，自然干燥备用；

2）将钛酸丁酯、乙醇和乙酸乙酯以体积比10:46:1的比例混合制备前驱体溶液，然后将1mol·L^-1的硝酸溶液与去离子水、无水乙醇按照体积比为1:1:8进行混合，配制混合溶液，按混合溶液与前驱体溶液体积比1:2的比例，将混合溶液滴加到前驱体溶液中，混合均匀后，以3000r·min^-1~4000r·min^-1的速率离心，取上清液备用；

3）将二氧化钛P25粉末、乙基纤维素分别加入到无水乙醇中，制得质量分数为30%~45%的二氧化钛乙醇溶液和质量分数为10%~20%的乙基纤维素乙醇溶液，将两种溶液以体积比为1:1进行混合，按正丁醇与二氧化钛P25粉末质量比为（1~5）:4将正丁醇加入混合溶液中，混合均匀后，在温度80℃~90℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得二氧化钛胶体，将该胶体与步骤2）制备的上清液按照质量比（5.5~6.5）：1混合，经研磨得到二氧化钛料浆；

4）将步骤1）处理后的掺氟氧化锡导电玻璃固定于丝网印刷机上，然后通过丝网印刷技术将步骤3）得到的料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，形成厚度1.5μm~2.5μm的二氧化钛纳米微晶薄膜，将该薄膜在自然条件下干燥；

5）在反应釜中加入体积比为（1~3）:1的去离子水和质量浓度为37%的盐酸，玻璃棒搅拌均匀，然后将步骤4）得到的涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度100℃~200℃条件下反应1~4h，冷却至室温后，取出导电玻璃，用去离子水冲洗、经干燥，得到二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：操作简单，成本低。设备为普通的丝网印刷机及其套件，干燥箱，无需其他大型或复杂设备。纳米微晶薄膜的孔隙率可以通过控制料浆中正丁醇含量来控制，而界面融合结构材料可以通过调整水热反应时间来改变。此方法制备的界面融合结构材料，可以使微晶界面产生共格或半共格连接，从而在保证染料吸附量的前提下，减少光生电子传输路径，提高光电转换效率。

附图说明

图1为本发明实施例二所制得二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料的TEM图

图2为本发明实施例三所制得二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料的TEM图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，这些实施例只是用于说明本发明，并不限制本发明。

实施例一

    将10mm×10mm的掺氟氧化锡导电玻璃依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗10min，自然干燥备用；将二氧化钛P25粉末4g、乙基纤维素1g分别加入到10mL无水乙醇中制得二氧化钛乙醇溶液及乙基纤维素乙醇溶液，将10mL二氧化钛乙醇溶液与10mL乙基纤维素乙醇溶液机械混合后，加入7g正丁醇，200r·min^-1速度下搅拌2h。然后在温度90℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得准胶体； 以钛酸丁酯5mL、乙醇23mL和乙酸乙酯0.5mL配制混合溶液，机械搅拌1h，作为前驱体溶液。然后取用1.5mL1mol·L^-1硝酸溶液，加入1.5mL去离子水和12mL乙醇制成混合溶液，将其缓慢滴加到前驱体溶液中，机械搅拌12h后，以4000r·min^-1的速率离心5min，取上清液3g放入准胶体中搅拌均匀，在玛瑙研钵中研磨10min，得到二氧化钛料浆；将处理后的导电玻璃固定于丝网印刷机上，通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，其中丝网目数400目，丝网面积8mm×8mm，自然条件下干燥；在50mL反应釜中，放入6mL蒸馏水及18mL质量浓度37%的盐酸，搅拌5min使其混合均匀。然后将涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度120℃条件下反应4h，得到二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料。

实施例二

将10mm×10mm的掺氟氧化锡导电玻璃依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗10min，自然干燥备用；将二氧化钛P25粉末4g、乙基纤维素1g分别加入到10ml无水乙醇中制得二氧化钛乙醇溶液及乙基纤维素乙醇溶液，二者机械混合后，加入9g正丁醇，200r·min^-1速度下搅拌2h。然后在温度85℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得准胶体； 以钛酸丁酯5mL、乙醇23mL和乙酸乙酯0.5mL配制混合溶液，机械搅拌1h，作为前驱体溶液。然后取用1.5mL1mol·L^-1硝酸溶液，加入1.5mL去离子水和12mL乙醇制成混合溶液，将其缓慢滴加到前驱体溶液中，机械搅拌12h后，以4000r·min^-1的速率离心5min，取上清液5g放入准胶体中搅拌均匀，在玛瑙研钵中研磨10min，得到二氧化钛料浆；将处理后的导电玻璃固定于丝网印刷机上，通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，其中丝网目数400目，丝网面积8mm×8mm，自然条件下干燥；在50mL反应釜中，放入12mL去离子水及12mL质量浓度37%的盐酸，搅拌5min使其混合均匀。然后将涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度150℃条件下反应2h，得到二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料。

实施例三

将10mm×10mm的掺氟氧化锡导电玻璃依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗10min，自然干燥备用；将二氧化钛P25粉末4g、乙基纤维素1g分别加入到10ml无水乙醇中制得二氧化钛乙醇溶液及乙基纤维素乙醇溶液，二者机械混合后，加入7g正丁醇，200r·min^-1速度下搅拌2h。然后在温度85℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得准胶体； 以钛酸丁酯5mL、乙醇23mL和乙酸乙酯0.5mL配制混合溶液，机械搅拌1h，作为前驱体溶液。然后取用1.5mL1mol·L^-1硝酸溶液，加入1.5mL去离子水和12mL乙醇制成混合溶液，将其缓慢滴加到前驱体溶液中，机械搅拌12h后，以4000r·min^-1的速率离心5min，取上清液3g放入准胶体中搅拌均匀，在玛瑙研钵中研磨10min，得到二氧化钛料浆；将处理后的导电玻璃固定于丝网印刷机上，通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，其中丝网目数400目，丝网面积8mm×8mm，自然条件下干燥；在50mL反应釜中，放入12mL去离子水及12mL质量浓度37%的盐酸，搅拌5min使其混合均匀。然后将涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度150℃条件下反应4h，得到二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料。

实施例四

将10mm×10mm的掺氟氧化锡导电玻璃依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗10min，自然干燥备用；将二氧化钛P25粉末3.5g、乙基纤维素1g分别加入到10ml无水乙醇中制得二氧化钛乙醇溶液及乙基纤维素乙醇溶液，二者机械混合后，加入7g正丁醇，250r·min^-1速度下搅拌2h。然后在温度90℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得准胶体； 以钛酸丁酯5mL、乙醇23mL和乙酸乙酯0.5mL配制混合溶液，机械搅拌1h，作为前驱体溶液。然后取用1.5mL1mol·L^-1硝酸溶液，加入1.5mL去离子水和12mL乙醇制成混合溶液，将其缓慢滴加到前驱体溶液中，机械搅拌12h后，以4000r·min^-1的速率离心5min，取上清液3g放入准胶体中搅拌均匀，在玛瑙研钵中研磨10min，得到二氧化钛料浆；将处理后的导电玻璃固定于丝网印刷机上，通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，其中丝网目数400目，丝网面积8mm×8mm，自然条件下干燥；在50mL反应釜中，放入8mL蒸馏水及16mL质量浓度37%的盐酸，搅拌5min使其混合均匀。然后将涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度170℃条件下反应1h，得到二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料。

Claims (1)

1.一种二氧化钛纳米微晶界面融合结构的制备方法，其特征在于包括以下过程： 

1）将掺氟氧化锡导电玻璃分别依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗，自然干燥备用；

2）将钛酸丁酯、乙醇和乙酸乙酯以体积比10:46:1的比例混合制备前驱体溶液，然后将1mol·L^-1的硝酸溶液与去离子水、无水乙醇按照体积比为1:1:8进行混合，配制混合溶液，按混合溶液与前驱体溶液体积比1:2的比例，将混合溶液滴加到前驱体溶液中，混合均匀后，以3000r·min^-1~4000r·min^-1的速率离心，取上清液备用；

3）将二氧化钛P25粉末、乙基纤维素分别加入到无水乙醇中，制得质量分数为30%~45%的二氧化钛乙醇溶液和质量分数为10%~20%的乙基纤维素乙醇溶液，将两种溶液以体积比为1:1进行混合，按正丁醇与二氧化钛P25粉末质量比为（1~5）:4将正丁醇加入混合溶液中，混合均匀后，在温度80℃~90℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得二氧化钛胶体，将该胶体与步骤2）制备的上清液按照质量比（5.5~6.5）：1混合，经研磨得到二氧化钛料浆；

4）将步骤1）处理后的掺氟氧化锡导电玻璃固定于丝网印刷机上，然后通过丝网印刷技术将步骤3）得到的料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，形成厚度1.5μm~2.5μm的二氧化钛纳米微晶薄膜，将该薄膜在自然条件下干燥；

5）在反应釜中加入体积比为（1~3）:1的去离子水和质量浓度为37%的盐酸，玻璃棒搅拌均匀，然后将步骤4）得到的涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度100℃~200℃条件下反应1~4h，冷却至室温后，取出导电玻璃，用去离子水冲洗、经干燥，得到二氧化钛纳米微晶界面融合结构材料。