CN112429768B - 一种类花状二氧化钛纳米线及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种类花状二氧化钛纳米线及其制备方法和应用。首先用钛酸异丙酯(TTIP)作为钛源,添加到浓盐酸和超纯水溶液中,三者充分搅拌后倒入放有干净的掺氟的SnO2透明导电玻璃(FTO)的水热反应釜内衬中,再将反应釜旋紧后置于烘箱进行水热反应,水热釜随烘箱冷却至室温后,取出FTO基板,分别用超纯水和乙醇润洗,在室温下干燥后即可得到附着在FTO上的类花状二氧化钛纳米线。该方法简便,不含表面活性剂,展现出了提升染料敏化太阳能电池效率的潜质。
Description
技术领域
本发明属于材料领域,特别涉及了二氧化钛纳米线材料。
背景技术
二氧化钛具有无毒、化学稳定性高、成本低、光催化活性高、光吸收性强等优点,常被用作为染料敏化太阳能电池的光阳极。传统的纳米晶半导体薄膜,晶粒的粒径小,晶粒随意堆积,存在着大量的晶粒间界,光生电子的传输路径长,传输速度慢,电子的复合机率大,众多的不利因素制约着光电性能的提升。相比之下,有序生长的一维纳米半导体膜,如纳米线,为光生电子的传输提供了直接的路径,电子的传输路径短、传输速度快、注入效率高,有效降低电子复合的机率,这有利于提高染料敏化太阳能电池的效率。
合成二氧化钛纳米线的方法有很多,如溶胶凝胶法、水热法、溶剂热法、阳极化法、模板法、斜角沉积法等。其中水热法反应时间短,成本低,操作简单,是一种很有发展前途的方法。传统的水热法通常要加入表面活性剂等,尽量减少二氧化钛纳米线的团聚,但含有表面活性剂的二氧化钛纳米线会影响后续使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种类花状二氧化钛纳米线及其制备方法和应用。本发明通过控制水热反应条件,制备出一种不含表面活性剂的新型类花状二氧化钛纳米线,可以在不添加表面活性剂的同时保证二氧化钛纳米线基本不聚集,而且为类花状的结构,这在提升染料敏化太阳能电池性能展现出了很好的潜力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是:
一种类花状二氧化钛纳米线的制备方法,将浓盐酸和水混合,搅拌均匀,然后向其中逐滴滴加钛酸异丙酯,所述浓盐酸、水和钛酸异丙酯的体积比为1~10:1:2.3~2.5;每2.3~2.5mL的钛酸异丙酯在6.5~7.5min内滴加完毕;继续搅拌至澄清,得到钛源前驱体溶液;再将钛源前驱体溶液转移到放置有基底的水热反应容器中,在175~185℃下进行水热反应2~4小时,得到附有类花状二氧化钛纳米线的基底。
本发明最终得到的类花状二氧化钛纳米线不仅附着在基底上,还不含表面活性剂,不影响后续的使用,为不含表面活性剂的类花状纳米线的制备提供了新思路。
具体步骤例如包括:
1)钛源前驱体溶液的制备
将浓盐酸和超纯水加入圆底烧瓶中以一定的转速搅拌3~10分钟,再缓慢滴加钛酸异丙酯,常温搅拌20~40min至澄清,制得钛源前驱体溶液。所述浓盐酸、水和钛酸异丙酯的体积比为1~10:1:2.3~2.5;每2.3~2.5mL的钛酸异丙酯在6.5~7.5min内滴加完毕;
2)类花状二氧化钛纳米线的制备
将步骤1)中得到的钛源前驱体溶液转移到放有FTO导电玻璃(掺氟的SnO2透明导电玻璃)的水热反应釜内衬中,旋紧反应釜后放入烘箱中,在175~185℃下反应2~4h,反应完后随烘箱冷却至室温;然后取出水热反应釜中的FTO导电玻璃,用超纯水和乙醇分别润洗FTO玻璃导电面,室温下干燥后即可得到类花状二氧化钛纳米线。
在步骤1)中,所述水可选用去离子水和超纯水中的一种;
在步骤1)中,所述酸只能为浓盐酸;浓盐酸不仅可以抑制钛源的水解,而且氯离子为水热时二氧化钛的取向生长提供了条件。
本发明中,通过改变浓盐酸与超纯水之间的比例,可以改变不同的形貌。例如,当所述浓盐酸和水的体积比为1.4~1.6:1时,可以得到类花状的二氧化钛纳米线。当所述浓盐酸和水的体积比为8.5~9.5:1,不仅可以得到类花状的二氧化钛纳米线,部分类花状纳米线中还存在“果实”样的球形产物。
所述“浓盐酸”为市售的质量浓度为36%~38%的盐酸。
在步骤1)中,所述钛源只能选用钛酸异丙酯;若改用其他钛源无法合成类花状的形貌。
在步骤1)中,搅拌速度可选用300~600rpm;
在步骤1)中,滴加方式为逐滴加入,每2.3~2.5mL的钛酸异丙酯约在6.5~7.5min内滴加完毕。钛源前驱体溶液的制备条件需要严格控制,若不在上述的搅拌速度或滴加速度范围内,无法得到类花状形貌的纳米线。
在步骤2)中,FTO导电玻璃依次用洗洁精、丙酮、乙醇和超纯水分别超声20分钟;
在步骤2)中,FTO导电玻璃导电面朝下放置于水热反应容器中,且与水热反应容器的内衬底面呈30°~60°夹角;以这种方式才能够在FTO导电玻璃导电面上得到类花状的纳米线。若采用其他方式,例如将导电面向上放置,无法得到纳米线,只能沉积得到较大的颗粒。
在步骤2)中,水热反应条件需要严格控制,在175~185℃下进行水热反应2~4小时,得到的形貌最好。
在步骤2)中,水热反应釜容积可用20mL或者25mL,内衬为聚四氟乙烯;
在步骤2)中,烘箱可选用真空干燥箱或鼓风干燥箱;
本发明所涉及的设备、试剂、工艺、参数等,除有特别说明外,均为常规设备、试剂、工艺、参数等,不再作实施例。
本发明所列举的所有范围包括该范围内的所有点值。
本发明所述“大约”、“约”或“左右”等指的是所述范围或数值的±20%范围内。
本发明中,所述“常温”或“室温”即常规环境温度,可以为10~30℃。
通过上述技术方案的应用,本发明制备的类花状二氧化钛纳米线具有以下特点:
(1)本发明建立了一种新型类花状二氧化钛纳米线的制备方法,制备过程简单,条件温和;
(2)在整个合成过程中不添加任何表面活性剂,不对后续使用产生影响;
(3)本发明制备的二氧化钛纳米线不但具有传统纳米线的特点,还是新型类花状的纳米线,避免了传统纳米线间的团聚,在提高染料吸附量,增加染料敏化太阳能电池性能方面,展现出了潜在的优势。
附图说明
图1为本发明实施例中制备不含表面活性剂的类花状二氧化钛纳米线的流程图。
图2为实施例1中合成的类花状二氧化钛纳米线的不同放大倍数的SEM图片。其中,A中标尺为100μm,B中标尺为10μm,C中标尺为1μm,D中标尺为1μm。
图3为实施例2中合成的类花状二氧化钛纳米线的不同放大倍数的SEM图片。其中,A中标尺为10μm,B中标尺为2μm,C中标尺为1μm,D中标尺为1μm。
图4为在150℃下水热反应4h得到的球状纳米粒子产物的SEM图片。
图5为以钛酸正丁酯为钛源得到的产物的SEM图片。
图6为以快速滴加钛酸异丙酯得到的钛源前驱体溶液为钛源制备得到的球状物的SEM图片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一、钛源前驱体溶液的制备
(1)将4mL超纯水和6mL浓盐酸加入圆底烧瓶中,在常温下以400rpm速度搅拌反应5分钟;
(2)往上述溶液中缓慢滴加2.4mL钛酸异丙酯,滴加方式为逐滴加入,2.4mL大约用7min;滴加完后再搅拌反应30分钟,得到的澄清溶液即为含钛源的前驱体溶液;
二、类花状二氧化钛纳米线的制备
(3)往20mL的水热反应釜内衬中放入干净的FTO导电玻璃作为基板,导电玻璃导电面朝下与反应釜内衬底面呈45°;
(4)再将上述制备的含钛源的前驱体溶液倒入反应釜内衬中,然后将内衬放进不锈钢外套,旋紧外套后将水热反应釜放入真空干燥箱中,在180℃下反应3小时;
(5)反应釜随真空干燥箱冷却后,取出FTO,依次用超纯水和乙醇润洗三次FTO基板,然后在室温下干燥即可得到附在FTO基板上的类花状二氧化钛纳米线。
实施例2
一、钛源前驱体溶液的制备
(1)将1mL超纯水和9mL浓盐酸加入圆底烧瓶中,在常温下以400rpm速度搅拌反应5分钟;
(2)往上述溶液中缓慢滴加2.4mL钛酸异丙酯,滴加方式为逐滴加入,2.4mL大约用7min;滴加完后再搅拌反应30分钟,得到的澄清溶液即为含钛源的前驱体溶液;
二、类花状二氧化钛纳米线的制备
(3)往20mL的水热反应釜内衬中放入干净的FTO导电玻璃作为基板,导电玻璃导电面朝下与反应釜内衬底面呈45°;
(4)再将上述制备的含钛源的前驱体溶液倒入反应釜内衬中,然后将内衬放进不锈钢外套,旋紧外套后将水热反应釜放入真空干燥箱中,在180℃下反应3小时;
(5)反应釜随真空干燥箱冷却后,取出FTO,依次用超纯水和乙醇润洗三次FTO基板,然后在室温下干燥即可得到附在FTO基板上的类花状二氧化钛纳米线。
以下结合附图对本发明进行进一步说明:
图2为实施例1的不同放大倍数的SEM图片,由图A可以看到纳米线长满了整个FTO基板;B图为A图的放大图,能够看到实施例1合成的都为类花状纳米线;C图为其中一朵类花状纳米线的放大图;D图为一朵类花状纳米线的局部放大图,由图可明显看出只有少数的几根纳米线团簇在一起,其它的又间距较大,这有利于增加染料的吸附量,为提升染料敏化太阳能电池效率展现出了潜在的优势。
图3为实施例2不同放大倍数的SEM图片,A图可以看出这种实施例中合成的类花状纳米线与实施例1有所区别,不仅是简单的类花状,还有部分类花状纳米线中长出了“果实”;B图为进一步的放大图,可以更清楚的观察到部分类花状纳米线中存在“果实”;C图为不含“果实”的类花状二氧化钛纳米线的放大图,可以很明显的看到,浓盐酸与超纯水的比例增大后,纳米线间基本不发生团聚,即通过改变浓盐酸与超纯水之间的比例,可以改变不同的形貌;D图为含“果实”的类花状二氧化钛纳米线的放大图,可以看出其与C图相比,除了多一个“果实”外其它基本不变。
图4为在实施例1的基础上,改变水热反应条件得到的产物的SEM图片。由图4可知,在150℃下水热反应4h就无法得到类花状的纳米线,只能得到球状纳米粒子产物。由图4可知,本发明的水热反应条件需要严格控制,否则无法得到类花状形貌的二氧化钛纳米线。
图5为在实施例1的基础上,改以钛酸正丁酯为钛源得到的产物的SEM图片。由图5可知,以钛酸异丙酯作为钛源前驱体是得到类花状二氧化钛纳米线的重要因素,若改用其他钛源无法合成类花状的形貌。
图6为在实施例1的基础上,改以快速滴加钛酸异丙酯的方式得到钛源前驱体溶液,再以该钛源前驱体溶液为钛源制备得到的产物的SEM图片。由图6可知,钛源前驱体溶液的制备方法需要严格控制,否则无法得到类花状形貌的二氧化钛纳米线。
以上所述,仅为本发明较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (3)
1.一种二氧化钛纳米线在染料敏化太阳能电池中的应用,其特征在于:所述二氧化钛纳米线具有类花状结构且类花状纳米线中还存在球形产物;所述二氧化钛纳米线通过以下方法制备得到:将浓盐酸和水混合均匀,然后向其中逐滴滴加钛酸异丙酯,所述浓盐酸、水和钛酸异丙酯的体积比为8.5~9.5:1:2.3~2.5;每2.3~2.5 mL的钛酸异丙酯在6.5~7.5min内滴加完毕;继续搅拌至澄清,所述搅拌速度为300~600 rpm,得到钛源前驱体溶液;再将所述钛源前驱体溶液转移到放置有基底的水热反应容器中,所述基底的导电面朝下地放置于水热反应容器中,所述基底与水热反应容器的内衬底面呈30°~60°夹角,在175~185℃下进行水热反应2~4小时后,在基底上得到二氧化钛纳米线。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于:所述基底与水热反应容器的内衬底面呈44°~46°夹角。
3.根据权利要求1所述的应用,其特征在于:所述基底为FTO导电玻璃。
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GR01 | Patent grant | ||
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