CN108597879B - 一种TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料的制备方法 - Google Patents

一种TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料的制备方法,包括:(1)采用溶剂热法在TiO2纳米线上生长NiO晶种:将乙酸镍、乙醇和正丁醇混合溶解,然后依次加入氨水和TiO2纳米线,加热反应;(2)采用水热法生长NiO纳米片:将乙酸镍和过二硫酸钾溶于水,然后依次加入氨水和TiO2纳米线,加热反应;(3)对步骤(2)得到的TiO2纳米线/NiO纳米片进行退火处理;(4)退火后用卟啉溶液浸渍,即得到TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料。本发明通过TiO2纳米线和NiO纳米片构建p‑n异制结结构以及卟啉敏化大大增加了TiO2载流子的分离效率且拓宽了光吸收范围,提高了光电转化效率。

Description

一种TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于光电材料领域,具体涉及一种TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料的制备方法。
背景技术
随着环境问题的日益暴露以及能源需求的迅速增长,人们不得不关注能源问题。太阳能作为一种清洁、可再生的丰富资源,将是人类生存发展的主要能源,且我国近三分之二的国土上太阳能资源可以开发利用,那么如何高效利用太阳能将是人们面临的一大难题。
太阳能电池的研究一直是一个热点,而太阳能电池中核心的部分是光阳极的构筑,其直接影响着太阳光的吸收、利用和光生载流子的分离、传输等行为,对最终的光电转化效率具有决定性的作用。TiO2(3.0eV-3.2eV)作为一种宽带隙n型半导体材料,由于其无毒、化学稳定性好、催化活性高且价格低廉,是研究最多的光阳极材料。但由于单纯的TiO2其电子空穴复合几率大,光电转化效率并不理想,因此对其掺杂改性的报道层出不穷,如非金属掺杂(N、C、S、F、B、I等),金属掺杂(Zn、W、Fe、Cu、Cr等),半导体复合(CdS、WO3、SnO2、CdSe等),以及形貌控制如纳米线、纳米棒、纳米片、纳米管、纳米球、纳米花等。
发明内容
本发明的目的在于根据上述背景技术的现状,提供了一种TiO2纳米线/NiO纳米片/ 卟啉复合材料的制备方法。
为了解决上述技术问题,本发明提供了如下的技术方案:
一种TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料的制备方法,包括:
(1)采用溶剂热法在TiO2纳米线上生长NiO晶种:将乙酸镍、乙醇和正丁醇混合溶解,然后依次加入氨水和TiO2纳米线,加热反应;
(2)采用水热法生长NiO纳米片:将乙酸镍和过二硫酸钾溶于水,然后依次加入氨水和经步骤(1)处理的TiO2纳米线,加热反应,得到TiO2纳米线/NiO纳米片;
(3)对步骤(2)得到的TiO2纳米线/NiO纳米片进行退火处理;
(4)将退火后的TiO2纳米线/NiO纳米片用卟啉溶液浸渍,即得到TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料。
优选地,步骤(1)将乙酸镍、乙醇和正丁醇混合溶解后,乙酸镍的浓度为20~50g/L;所述氨水为25~28wt%的浓氨水,用量为乙醇与正丁醇总体积的2~5%。
优选地,所述乙醇与正丁醇体积比为1:1。
优选地,步骤(1)的反应温度为60℃,时间8h。
优选地,步骤(2)中,按乙酸镍与过二硫酸钾的质量比为(3~5):(1~2),乙酸镍的浓度为10~30g/L,将乙酸镍和过二硫酸钾溶于水;所述氨水为25~28%的浓氨水,用量为乙酸镍和过二硫酸钾的混合溶液体积的5~10%。
优选地,步骤(2)的反应温度为150℃,反应时间2~4h。
优选地,步骤(3)的退火处理为,在空气气氛下,将TiO2纳米线/NiO纳米片以2~2.5℃/min的速率升至400℃,保温2h。
优选地,所述卟啉为5,10,15,20-四(4-磺酸基苯基)卟啉。
NiO作为典型的p型材料,通过TiO2纳米线和NiO纳米片构建p-n异制结结构以及TPPS4(5,10,15,20-(4-磺酸基)四苯基卟啉)敏化大大增加了TiO2载流子的分离效率且拓宽了光吸收范围,提高了光电转化效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1为本发明的TiO2纳米线的扫描电子显微镜图。
图2为本发明的TiO2纳米线横截面的扫描电子显微镜图。
图3为本发明的TiO2纳米线/NiO纳米片的扫描电子显微镜图。
图4为本发明的TPPS4的紫外-可见吸收光谱图。
图5为本发明的TPPS4傅里叶红外图。
图6为本发明复合材料的It-curve图。
图7为本发明复合材料的LSV图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
FTO玻璃清洗过程为:将FTO玻璃裁割成2cm×1cm规格,先用肥皂水超声洗涤20min,然后用蒸馏水超声洗涤3次,每次超声时间为10min,随后分别在丙酮和乙醇中各超声10min,最后用N2吹干备用。
实施例1
(1)TiO2纳米线的生长:取6mL体积分数为36%-38%的浓盐酸与等体积去离子水混合均匀,然后滴加200μL钛酸四丁酯于磁力搅拌器上搅拌至溶液澄清透明,约15min。将备用的FTO导电玻璃导电面朝下倾斜45°角放置于高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中,将上述混合溶液转移至内衬中于150℃反应1200min后,待自然冷却,用去离子水与乙醇体积比为1:1混合液冲洗三遍,并于电热恒温烘箱中60℃干燥15min。将得到的样品放置于磁舟中并置于管式炉中间位置,在空气中以2-2.5℃/min升温至450℃,保持120 min,即得到FTO/TiO2纳米线。
(2)溶剂热法生长NiO晶种:取0.5g乙酸镍、6mL乙醇、6mL正丁醇,混合,磁力搅拌器上搅拌至蓝色透明溶液,约20min,然后逐滴加入0.5mL市售浓氨水(25~28%),搅拌10min,将上述FTO/TiO2纳米线(导电面朝下)倾斜置于高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中,加入上述混合溶液,于60℃保持480min后,待自然冷却,用去离子水冲洗三遍,并于电热恒温烘箱中60℃干燥30min,得FTO/TiO2纳米线-NiO晶种。
(3)水热法生长NiO纳米片:将0.3g乙酸镍与0.1g过二硫酸钾共溶于16mL水中,于磁力搅拌器上搅拌至完全溶解,加入0.96mL浓氨水(25~28%),将上述FTO/TiO2纳米线-NiO晶种(导电面朝下)倾斜置于高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中,加入上述混合溶液,于电热恒温烘箱中150℃保持120min后,待自然冷却,用去离子水与乙醇体积比为1:1混合液冲洗三遍以去除表面粘附的杂质物质,并于电热恒温烘箱中60℃干燥30 min。
(4)退火:将FTO/TiO2纳米线/NiO纳米片样品放置于磁舟中并置于管式炉中间位置,在空气气氛中以升温速率为2-2.5℃/min升温至400℃,保持120min。待冷却后置于去离子水中超声2min,密闭保存备用。
(5)配制1.5mg/mL的5,10,15,20-四(4-磺酸基苯基)卟啉(TPPS4)DMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶液5mL,将退火后FTO/TiO2纳米线/NiO纳米片垂直浸渍2880min,然后于烘箱中60℃,空气气氛下干燥300min,即得到TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料。
对上述FTO/TiO2纳米线、FTO/TiO2纳米线/NiO纳米片通过扫描电子显微镜得其形貌如图1、2、3所示,从图中可以观察到FTO/TiO2纳米线生长均匀且致密,线长较长(图 1、2)。FTO/TiO2纳米线/NiO纳米片复合材料为(图3),纳米线与纳米片的形貌清晰可见。对于卟啉的表征是通过TPPS4的紫外可见吸收光谱以及TPPS4的傅里叶红外光谱图表征说明卟啉的纯度较高(图4、图5)。
运用CHI660电化学工作站采用三电极体系,对复合材料进行了It-curve测试,以本材料作为工作电极,Pt片为对电极,SCE为参比电极,电解液为PBS溶液(0.1M pH 7.0),施加电压为0V,光源为300W氙灯,测试结果如图6It-curve所示。图7同样采用三电极测了其线性扫描伏安法(LSV)曲线,从图中可以看出,TiO2纳米线/NiO纳米片复合后由于其能级匹配关系,其内部形成了p-n异制结结构,其载流子分离效率增大。卟啉敏化后材料表现出良好的瞬时光电流响应,由于卟啉具有良好的光敏化性能,其光吸收范围拓宽,载流子密度增大,由此得FTO/TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉材料具有良好的光电响应特性,在作为光阳极方面以及光电传感器方面有较大应用潜力。
实施例2
(1)TiO2纳米线的生长:取6mL体积分数为36%-38%的浓盐酸与等体积去离子水混合均匀,然后滴加200μL钛酸四丁酯于磁力搅拌器上搅拌至溶液澄清透明,约15min,将备用的FTO导电玻璃导电面朝下倾斜45°角放置于高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中,将上述混合溶液转移至内衬中于150℃反应1200min后待自然冷却,用去离子水与乙醇体积比为1:1混合液冲洗三遍,并于电热恒温烘箱中60℃干燥15min。将得到的样品放置于磁舟中并置于管式炉中间位置,在空气中以升温速率为2-2.5℃/min升温至450℃,保持120min,即得到FTO/TiO2纳米线。
(2)取0.45g乙酸镍、8mL乙醇共溶于8mL正丁醇中,磁力搅拌器上搅拌至为蓝色透明溶液,约20min,逐滴加入0.4mL浓氨水(25~28%)搅拌10min后。将FTO/TiO2纳米线导电面朝下倾斜置于高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中,加入上述混合溶液,在真空干燥箱中于60℃保持480min后待自然冷却,用去离子水冲洗三遍,并于电热恒温烘箱中60℃干燥30min,得FTO/TiO2-NiO晶种层。
(3)将0.5g乙酸镍与0.2g过二硫酸钾共溶于18mL水中,于磁力搅拌器上搅拌至完全溶解,逐滴加入1.5mL浓氨水(25~28%)。将FTO/TiO2-NiO晶种层导电面朝下倾斜置于高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中,加入上述混合溶液,于电热恒温烘箱中保持 150℃保持180min后待自然冷却,用去离子水与乙醇体积比为1:1混合液冲洗三遍以去除表面粘附的杂质物质,并于电热恒温烘箱中60℃干燥30min,备用。
(4)将步骤(3)得到的样品放置于磁舟中并置于管式炉中间位置,在空气中以升温速率为2-2.5℃/min升温至400℃,保持120min。待冷却后置于去离子水中超声2min,备用。
(5)配制1.5mg/mL TPPS4的DMF溶液5mL,将步骤(4)退火后的FTO/TiO2纳米线/NiO纳米片垂直浸渍2880min,然后于烘箱中60℃,空气气氛下干燥300min即可。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料的制备方法,包括:
(1)采用溶剂热法在TiO2纳米线上生长NiO晶种:将乙酸镍、乙醇和正丁醇混合溶解,然后依次加入氨水和TiO2纳米线,加热反应;
(2)采用水热法生长NiO纳米片:将乙酸镍和过二硫酸钾溶于水,然后依次加入氨水和经步骤(1)处理的TiO2纳米线,加热反应,得到TiO2纳米线/NiO纳米片;
(3)对步骤(2)得到的TiO2纳米线/NiO纳米片进行退火处理;
(4)将退火后的TiO2纳米线/NiO纳米片用卟啉溶液浸渍,即得到TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)将乙酸镍、乙醇和正丁醇混合溶解后,乙酸镍的浓度为20~50g/L;所述氨水为25~28%的浓氨水,用量为乙醇与正丁醇总体积的2~5%。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述乙醇与正丁醇体积比为1:1。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)的反应温度为60℃,时间8h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,按乙酸镍与过二硫酸钾的质量比为(3~5):(1~2),乙酸镍的浓度为10~30g/L,将乙酸镍和过二硫酸钾溶于水;所述氨水为25~28%的浓氨水,用量为乙酸镍和过二硫酸钾的混合溶液体积的5~10%。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)的反应温度为150℃,反应时间2~4h。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)的退火处理为,在空气气氛下,将TiO2纳米线/NiO纳米片以2~2.5℃/min的速率升至400℃,保温2h。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述卟啉为5,10,15,20-四(4-磺酸基苯基)卟啉。
9.一种依权利要求1-8任一所述方法制备的TiO2纳米线/NiO纳米片/卟啉复合材料。
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