CN114751447B - 一种Cs2TiBr6粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，是在溴化钛（TiBr4）粉末中加入去离子水，混合均匀后加入溴化铯（CsBr）粉末，反应生成湿润的Cs2TiBr6，干燥后进行加热后处理。本发明不使用具有腐蚀性和毒性的HBr水溶液作为溶剂，而是以水作为催化剂通过一步法制备出高结晶性的Cs2TiBr6粉末，与传统HBr水溶液参与制备的方法相比，加热环境温和、节能，最终制备的产品结晶性更优异，吸光范围广，且制备过程环保无毒，有利于商业生产，此法制备的Cs2TiBr6为太阳能电池、电致发光、光电传感等领域的应用提供了更多可能。

Description

一种Cs2TiBr6粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及无铅钛基双钙钛矿型化合物制备技术领域，具体涉及一种Cs2TiBr6粉末的制备方法。
背景技术
随着钙钛矿太阳能电池的研究，发展成熟的钙钛矿中铅的毒性和在空气中的稳定性这两大问题仍未得到解决。钛在地球上含量丰富，无毒，并且四价 Ti4+不易被氧化，因此在替代铅基钙钛矿材料上，钛基双钙钛矿材料其无毒环保的特性使其具有很好的潜力。
目前制备钛基双钙钛矿Cs2TiBr6的工艺非常不成熟，已经有报道的 Cs2TiBr6粉末的制备方法有高温固相法和溶液法，其中高温固相法反应耗能大，不利于低成本制备，很难应用于商业化生产；而溶液法相对来说成本低、操作简单，但是如专利申请CN112921397A中一样，目前的溶液法制备方法中均是采用具有强腐蚀性的氢溴酸（HBr）作为溶剂，不利于环保。因而，我们希望在溶液法的基础上，寻求一种环保、无毒的制备路线，同时可以提高制备的Cs2TiBr6的品质。
发明内容
基于上述技术问题的考虑，本发明目的在于提供一种Cs2TiBr6粉末的环保无毒的制备方法。制备的Cs2TiBr6粉末晶粒尺寸均匀、结晶度高。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，其特征在于，在溴化钛（TiBr4）粉末中加入去离子水，混合均匀后加入溴化铯（CsBr）粉末，反应生成湿润的 Cs2TiBr6，干燥后进行加热处理。
进一步，上述反应温度为50~60℃，反应时间为12~16h。
优选的，上述反应温度为50℃，反应时间为16h。
进一步，上述CsBr、TiBr4和去离子水的摩尔比为5:3~4:10。
进一步，上述加热的温度为105~110℃，加热保温时间为25~30min。
优选的，上述加热温度为110℃，加热时间为30min。
最具体的，一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤（一）：在溴化钛（TiBr4）中加入去离子水，然后再加入溴化铯（CsBr），在50-60℃下静置反应12~16h，生成湿润的 Cs2TiBr6，CsBr、TiBr4和去离子的摩尔比为5:3~4:10；
步骤（二）：将湿润的Cs2TiBr6进行干燥，然后置于105-110℃下加热处理25~30min。
在CsBr和TiBr4反应生成Cs2TiBr6过程中，生成的晶粒尺寸均匀性较差，且很难形成高结晶性产物，需要较高温度下加热才能提高结晶性能（例如CN112921397A中就在235℃以上进行了加热处理）。本发明中将水加入到TiBr4粉末中，橙色的TiBr4在加入水后会变成褐色物质，并有气体产生，即水和TiBr4发生第一步反应生成褐色的Ti(OH)2，在第二步反应中（即在加有去离子水的TiBr4混合物中，加入CsBr），上述产物继续与CsBr反应，生成了Cs2TiBr6，通过两步反应中第一步消耗了水，第二步反应生成了水，反应前后水不发生变化，但是显著加快了反应速率，起到了催化作用，反应过程中通过调节水的用量和后处理的温度，进一步提高产物结晶性、提高晶粒尺寸均匀性。
本发明具有如下技术效果：
本发明不使用具有腐蚀性和毒性的HBr水溶液作为溶剂，而是以水作为催化剂一步制备出高结晶性的Cs2TiBr6粉末，与传统HBr水溶液参与制备的方法相比，加热环境温和、节能，最终制备的产品结晶性更优异，吸光范围广，且制备过程环保无毒，有利于商业生产，此法制备的Cs2TiBr6为太阳能电池、电致发光、光电传感等领域的应用提供了更多可能。
附图说明
图1：本发明制备的Cs2TiBr6粉末的SEM图。
图2：不同反应温度和加热温度下制备的Cs2TiBr6粉末的XRD图。
图3：不同去离子水用量制备的目标产物的XRD图。
图4：对比例和本发明制备的Cs2TiBr6粉末的XRD图。
图5：本发明制备的Cs2TiBr6粉末的热重曲线。
图6：本发明制备的Cs2TiBr6粉末的光致发光光谱和紫外可见吸收光谱。
图7：本发明制备的Cs2TiBr6粉末的直接跃迁Tauc图和间接跃迁Tauc图。
图8：水的催化效果验证实验：（a）常温下加水反应16小时；（b）常温下不加水反应16小时；（c）高温下不加水反应16、24和48小时。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，按如下步骤进行：
步骤（一）：在溴化钛（TiBr4）中加入去离子水混合后，再加入溴化铯（CsBr），50℃下静置反应16h，生成湿润的 Cs2TiBr6，CsBr、TiBr4和去离子的摩尔比为5:3:10；
步骤（二）：将湿润的Cs2TiBr6置于110℃下加热处理30min，得到Cs2TiBr6粉末。
如图1所示，从扫描电镜（SEM）图中可知，本发明制备的Cs2TiBr6粉末具有多晶结构，晶粒尺寸分布均匀、其晶粒大小约为150~200nm。在反应过程中，反应16h后，观察到反应生成了红棕色物质， X射线衍射（XRD）图谱结果证明了该红棕色物质为Cs2TiBr6（见图2a）。
如图2（a）所示，对于反应温度来说，本发明在常温下生成Cs2TiBr6再经干燥后形成纯相的Cs2TiBr6，随着反应温度的升高，Cs2TiBr6粉末的结晶性逐渐增强。但由于TiBr4易挥发，故若反应温度在60℃ 以上，则会有部分 TiBr4以气态形式挥发出去，导致有剩余的CsBr，即反应不完全。如图2（b）图所示，反应后处理110℃可提高Cs2TiBr6粉末的结晶性，若后处理温度超过110℃时，随着温度的升高，Cs2TiBr6粉末结晶性逐渐减弱。
当水的用量>1.0 mmol 时，始终存在三个杂质峰，推测可能是过量水的存在使得Cs2TiBr6粉末中生成了其他杂质；当水的用量 ≤1.0 mmol 时，三个杂质峰均消失，但出现了CsBr的峰，说明水的量不足时，水、TiBr4和CsBr反应不完全；当水的用量为1.0 mmol 时，TiBr4和CsBr恰好完全反应，且 Cs2TiBr6粉末不会发生分解，粉末样品的结晶性最好，具体如图3所示。
现目前已经报道的制备Cs2TiBr6粉末的方法有高温固相反应法和溶液法，溶液法相对于高温固相反应法来说，其成本更低且更节能。而目前已知的溶液法均使用了环境不友好的HBr（48%水溶液）。在相同环境下，尝试采用质量浓度为48%的HBr水溶液作为溶剂参与反应，作为对比例，具体如下：
对比例1
将0.5mmol溴化铯（CsBr）和0.3mmol溴化钛（TiBr4）混合后，加入质量分数为48%的HBr水溶液，在常温下反应12h，然后在110℃下进行加热30min，此时HBr水溶液中对应的去离子水含量为1mmol。
在常温下快速生成了红棕色物质，待反应时间达到12h，经110℃加热30min后，进行XRD测试，如图4（i）所示，显示均为Cs2TiBr6对应的峰，但是约29°处有明显的分裂峰。
对比例2
一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，按如下步骤进行：
在对比例1的基础上将加热时间延长至40min。
如图4所示：（i）是对比例1制备的Cs2TiBr6粉末的XRD图，从图中明显看到了分裂峰，结晶度差；（ii）是对比例2，在对比例1基础上将加热时间延长至40min，其分裂峰消失，结晶性增强；（iii）按照实施例1方式，不同点在于反应温度为室温，制备的Cs2TiBr6粉末结晶性优于采用HBr水溶液制备的Cs2TiBr6粉末，由此可见，在相同环境下，采用HBr水溶液参与反应制备Cs2TiBr6粉末的方法，制备的Cs2TiBr6粉末需要延长加热时间才能得到结晶度较高的产品，而采用水作为催化剂制备的Cs2TiBr6粉末（图4iii），无需延长加热时间就具有更优异的结晶性。
本发明在反应的时候橙色的TiBr4遇水后生成褐色的Ti(OH)2，并有气体产生，为了验证生成的气体成分，做了如下实验：首先该气体能使湿润的pH纸变红，证明生成了酸性（HBr）气体；其次，在干净的蒸发皿中加入TiBr4粉末，并且在TiBr4粉末旁边放一个在玻璃片上镀有CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜的样品，然后往TiBr4粉末中加入一定量的水，使其产生的气体能够充分接触 CH3NH3PbI3的薄膜，一段时间后，棕黑色钙钛矿薄膜颜色逐渐变为橙色，最后变为黄色，对薄膜做XRD测试，结果表明薄膜成分由纯碘钙钛矿变为碘和溴混合的钙钛矿，最后到CH3NH3PbBr3，即说明TiBr4和水的反应生成了Br2蒸气，Br2会与CH3NH3PbI3反应逐步生成I、Br混合物，直至生成纯溴钙钛矿（即CH3NH3PbBr3）。具体分步反应过程如下：TiBr4+ 2H2O → Ti(OH)2 + 2HBr + Br2，然后生成物再与CsBr进一步反应：Ti(OH)2 + 2HBr +Br2 + CsBr → Cs2TiBr6 + H2O。对比例中采用HBr的水溶液作为溶剂，其中HBr参与到了第二步反应中，改变了反应进程，影响到了Cs2TiBr6的形成过程，最终改变了Cs2TiBr6的结晶性。
图5是Cs2TiBr6粉末的热重分析（TGA）结果。TGA 曲线中的第一个明显下降出现在500°C以上，这是由于钙钛矿的分解导致的：Cs2TiBr6 = 2CsBr + TiBr4，其中CsBr是固体，TiBr4在高温下是以气态形式存在。用热重测得的Cs2TiBr6粉末样品的重量变化与分解反应中CsBr和 TiBr4的化学计量比一致。因此，Cs2TiBr6粉末样品的分解温度远高于有机铅基钙钛矿（分解温度低于∼200°C）的分解温度，该 TGA 测试结果表明基于Cs2TiBr6钙钛矿的器件可以在高温下高稳定性地工作。
为了验证Cs2TiBr6粉末作为钙钛矿太阳能电池吸光材料的潜力，我们对其光电特性进行了测试。将Cs2TiBr6粉末材料放置在石英衬底上，使用532 nm 激光作为激发源，测试了Cs2TiBr6钙钛矿粉末的稳态光致发光光谱（图6a）。Cs2TiBr6粉末样品的发射峰为~715nm，对应于∼1.73 eV的跃迁能。图6（b）是石英衬底上Cs2TiBr6粉末样品的紫外-可见光吸收光谱。根据吸收光谱，可以计算Cs2TiBr6粉末样品的吸收系数 α 和光学带隙。如图7所示，（a）和（b）分别给出了和/>的Tauc曲线图。光学跃迁的带隙可以从Tauc曲线的线性部分的截距推断出来。从图中我们可以得出，Cs2TiBr6粉末样品的直接带隙为~1.91 eV，间接带隙为~1.85 eV。这与目前大多数的无铅双钙钛矿相比，光学带隙值具有优势，因为目前报道的无铅双钙钛矿的带隙值几乎都在2eV及以上。
为了验证水在该体系中具有加速反应的作用，做了如下对比实验：
试验a是往TiBr4和CsBr的混合粉末中加水，室温放置16小时；
实验b是将TiBr4和CsBr的混合粉末在室温下（不加水）放置16小时；
实验c是将TiBr4和CsBr的混合粉末在200℃下（不加水）加热16至48小时。
上述实验中CsBr和TiBr4的摩尔比均为5:3，实验a中加入水的比例与本发明实施例中相同。放置后，为了除去实验a产物中的水，我们将实验a产物在110℃下加热30分钟。为了保证对比实验的单一变量，我们也将实验b、c的产物也在110℃下加热30分钟。
从反应后产物的颜色以及 XRD 测试结果来分析（图8），实验a中 TiBr4和CsBr的混合粉末反应生成了红棕色的Cs2TiBr6粉末；实验b中TiBr4和CsBr的混合粉末没有发生反应，粉末颜色前后无明显变化，XRD测试显示没有Cs2TiBr6的峰；实验c中TiBr4和CsBr粉末在高温下加热反应16小时后，XRD 测试中没有Cs2TiBr6的峰（仅为CsBr的峰）。为了验证在高温继续加热TiBr4和CsBr的混合粉末是否可以反应生成Cs2TiBr6，我们将加热时间进一步延长24、48小时，在延长加热时间至48小时后，TiBr4和CsBr的混合粉末反应生成了红棕色的Cs2TiBr6粉末（右上角插图），从XRD 结果可以看到，粉末中出现了Cs2TiBr6的峰，但峰很弱，表明生成的Cs2TiBr6量很少。也就是说，TiBr4和CsBr的混合粉末在不加水的情况下，若是给以一定的反应条件（如热），即在200℃下加热48小时，则TiBr4和CsBr的混合粉末也可以反应生成Cs2TiBr6粉末。综上所述，反应中的水起到了加快反应的效果（反应速度增加上百倍）。因此，以上的这三个实验从侧面再次证明了水在反应中起到了催化剂的作用。
实施例2
一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，按如下步骤进行：
步骤（一）：在溴化钛（TiBr4）中加入去离子水混合后，再加入溴化铯（CsBr），60℃下静置反应12h，生成湿润的 Cs2TiBr6，CsBr、TiBr4和去离子的摩尔比为5: 4:10；
步骤（二）：将湿润的Cs2TiBr6干燥后置于105℃下加热处理25min。
实施例3
一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤（一）：在溴化钛（TiBr4）中加入去离子水混合后，再加入溴化铯（CsBr），55℃下静置反应15h，生成湿润的 Cs2TiBr6，CsBr、TiBr4和去离子的摩尔比为5:3.5:10；
步骤（二）：将湿润的Cs2TiBr6干燥后置于108℃下加热处理28min。

Claims (6)

1.一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，其特征在于：在溴化钛（TiBr4）粉末中加入去离子水，混合均匀后加入溴化铯（CsBr）粉末，反应生成湿润的 Cs2TiBr6，干燥后进行加热后处理。
2.如权利要求1所述的一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，其特征在于：所述反应温度为50~60℃，反应时间为12~16h。
3.如权利要求1或2所述的一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，其特征在于：所述CsBr、TiBr4和去离子水的摩尔比为5:3~4:10。
4.如权利要求1或2所述的一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，其特征在于，所述加热温度为105~110℃，加热保温时间为25~30min。
5.如权利要求3所述的一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，其特征在于，所述加热温度为105~110℃，加热保温时间为25~30min。
6.一种Cs2TiBr6粉末的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤（一）：在溴化钛（TiBr4）中加入去离子水，混合后加入溴化钛（TiBr4）粉末，在50℃下静置反应16h，生成湿润的Cs2TiBr6，其中CsBr、TiBr4和去离子的摩尔比为5:3:10；
步骤（二）：将湿润的Cs2TiBr6下干燥后置于110℃下加热处理30min。
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