CN103896331A - 模板法制备的二维TiO2纳米材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种模板法制备的二维TiO2纳米材料的方法。（1）将氧化石墨烯0.035-0.4g超声溶解到80ml乙醇溶液中；（2）向步骤（1）得到的溶液中加入乙醇60-100ml、十二烷基溴化铵2-4g和浓硝酸3-6ml，混合均匀；（3）将乙醇15-35ml和钛酸四丁酯15-35ml加入步骤（2）得到的溶液中，混合均匀后在高压反应釜中反应，反应完毕后底部沉淀用乙醇清洗3-4次，得到氧化石墨烯与TiO2复合结构；（4）将氧化石墨烯与TiO2复合结构经氢气处理，得到还原氧化石墨烯与TiO2复合体；（5）将还原氧化石墨烯与TiO2复合体在空气中焙烧，得到片状TiO2纳米材料。本发明方法成功实现了二维纳米TiO2纳米材料的制备，以此为光阳极材料组装的染料敏化太阳能电池光电转换效率较高，适合于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种纳米材料的制备方法，具体地说是一种用于染料敏化太阳能电池光阳极的二维TiO2纳米材料的制备方法。
背景技术
太阳能作为取之不尽同时又是生态学上纯净的可再生能源，在最近的几十年来，越来越受到人们的关心和重视。光电化学太阳能电池是根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件。DSSCs传统上使用的光阳极材料是半导体TiO2、ZnO和SnO2等纳米粒子，相对于平板电极由于其比表面积较大，能吸附较多的单层染料分子，从而得到较大的光电流和光电压。但是由于纳米粒子的晶粒较小结晶较差，粒子表面的缺陷较多，这容易成为光生电子、空穴的复合中心而不利于光生电子的传输。纳米粒子表面缺陷多易捕获电子，电子传输速率慢；一维光阳极材料虽然电子传输速率快，但是表面粗糙度低染料吸附量小，两者都不利于染料敏化太阳能电池效率的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单、适合于工业化生产的模板法制备的二维TiO2纳米材料的方法。
本发明的目的是这样实现的：
（1）将氧化石墨烯0.035—0.4g超声溶解到80ml乙醇溶液中；
（2）向步骤（1）得到的溶液中加入乙醇60—100ml、十二烷基溴化铵2—4g和浓硝酸3—6ml，混合均匀；
（3）将乙醇15—35ml和钛酸四丁酯15—35ml加入步骤（2）得到的溶液中，混合均匀后在高压反应釜中反应，反应完毕后底部沉淀用乙醇清洗3-4次，得到氧化石墨烯与TiO2复合结构；
（4）将氧化石墨烯与TiO2复合结构经氢气处理，得到还原氧化石墨烯与TiO2复合体；
（5）将还原氧化石墨烯与TiO2复合体在空气中焙烧，得到片状TiO2纳米材料。
本发明还可以包括：
1、所述在高压反应釜中反应的反应温度为160—220℃，反应时间为4—10小时。
2、所述氢气处理的处理条件是在300—360℃温度下持续5—8小时。
3、所述焙烧的条件是在450—500℃温度下烧4—18小时。
本发明提供了一种能够提供高的光电转换效率的用于染料敏化太阳能电池光阳极的二维纳米TiO2材料的方法，有望其光电转换效率超过商用TiO2纳米粒子P25。制备此材料的核心是采用氧化石墨烯为模板。首先，利用传统的hummer法制备得到的氧化石墨烯（GO）超声溶解到80ml乙醇溶液中；然后加入乙醇、十二烷基溴化铵（CTAB）和浓硝酸混合均匀；再将乙醇与钛酸四丁酯混合均匀后加入到上述过程得到的溶液中，混合均匀后倒入高压反应釜中反应一段时间。反应完毕后底部沉淀用乙醇清洗3-4次，得到GO/TiO2复合结构；然后，将GO/TiO2复合结构经氢气处理，成为还原氧化石墨烯（RGO）与TiO2复合体；最后，将RGO/TiO2复合体在空气中焙烧，变成片状TiO2纳米材料。所得材料质量比为0.5wt%显示出良好的光电转换特性。以此材料制备染料敏化电池光阳极，组装成电池后利用电化学工作站测量组装I-V曲线，得到光电转换效率高于P25作为阳极材料的电池。本发明方法成功实现了二维纳米TiO2纳米材料的制备，以此为光阳极材料组装的染料敏化太阳能电池光电转换效率较高，适合于工业化生产。
从图1可以看出利用本发明制备得到的材料中不含有碳元素，氧化石墨烯作为模板最终被完全处理掉，得到的是锐钛矿型二氧化钛；从图2中可以看到材料的微观结构确实为片状二维结构；从图3中可以看到其光电转换效率好于P25。
附图说明
图1为片状TiO2材料的XRD测试曲线；
图2为部分样品的透射电镜图；
图3为不同质量比例氧化石墨烯为模板制备得到的片状TiO2材料组装成染料敏化太阳能电池后得到的I-V测试曲线及与P25的对比。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
具体实施方式一：氧化石墨烯0.047g超声溶解到80ml乙醇溶液中；然后加入80ml乙醇、2.79gCTAB和4.8ml浓硝酸混合均匀；再将20ml乙醇与20ml钛酸四丁酯混合均匀后加入到上述过程得到的溶液中，混合均匀后倒入高压反应釜中，160摄氏度下反应6小时。反应完毕后底部沉淀用乙醇清洗3-4次，得到GO/TiO2复合结构；然后，将GO/TiO2复合结构在氢气保护下360摄氏度反应6小时，成为RGO/TiO2复合体；最后，将RGO/TiO2复合体在空气中500摄氏度下反应6小时，变成片状TiO2纳米材料。
具体实施方式二：氧化石墨烯0.0235g超声溶解到80ml乙醇溶液中；然后加入80ml乙醇、2.79gCTAB和4.8ml浓硝酸混合均匀；再将20ml乙醇与20ml钛酸四丁酯混合均匀后加入到上述过程得到的溶液中，混合均匀后倒入高压反应釜中，160摄氏度下反应6小时。反应完毕后底部沉淀用乙醇清洗3-4次，得到GO/TiO2复合结构；然后，将GO/TiO2复合结构在氢气保护下360摄氏度反应6小时，成为RGO/TiO2复合体；最后，将RGO/TiO2复合体在空气中500摄氏度下反应6小时，变成片状TiO2纳米材料。
具体实施方式三：氧化石墨烯0.047g超声溶解到80ml乙醇溶液中；然后加入80ml乙醇、2.79gCTAB和4.8ml浓硝酸混合均匀；再将20ml乙醇与20ml钛酸四丁酯混合均匀后加入到上述过程得到的溶液中，混合均匀后倒入高压反应釜中，200摄氏度下反应6小时。反应完毕后底部沉淀用乙醇清洗3-4次，得到GO/TiO2复合结构；然后，将GO/TiO2复合结构在氢气保护下360摄氏度反应6小时，成为复合体；最后，将RGO/TiO2复合体在空气中500摄氏度下反应18小时，变成片状TiO2纳米材料。
Claims (5)
1.一种模板法制备的二维TiO2纳米材料的方法，其特征是：
（1）将氧化石墨烯0.035—0.4g超声溶解到80ml乙醇溶液中；
（2）向步骤（1）得到的溶液中加入乙醇60—100ml、十二烷基溴化铵2—4g和浓硝酸3—6ml，混合均匀；
（3）将乙醇15—35ml和钛酸四丁酯15—35ml加入步骤（2）得到的溶液中，混合均匀后在高压反应釜中反应，反应完毕后底部沉淀用乙醇清洗3-4次，得到氧化石墨烯与TiO2复合结构；
（4）将氧化石墨烯与TiO2复合结构经氢气处理，得到还原氧化石墨烯与TiO2复合体；
（5）将还原氧化石墨烯与TiO2复合体在空气中焙烧，得到片状TiO2纳米材料。
2.根据权利要求1所述的模板法制备的二维TiO2纳米材料的方法，其特征是：所述在高压反应釜中反应的反应温度为160—220℃，反应时间为4—10小时。
3.根据权利要求1或2所述的模板法制备的二维TiO2纳米材料的方法，其特征是：所述氢气处理的处理条件是在300—360℃温度下持续5—8小时。
4.根据权利要求1或2所述的模板法制备的二维TiO2纳米材料的方法，其特征是：所述焙烧的条件是在450—500℃温度下烧4—18小时。
5.根据权利要求3所述的模板法制备的二维TiO2纳米材料的方法，其特征是：所述焙烧的条件是在450—500℃温度下烧4—18小时。
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