專利名稱：一種金紅石納米棒陣列膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在太陽能電池技術領域中的二氧化鈦納米棒的制備方法，特別是一種金紅 石納米棒陣列膜的制備方法。
(二)
背景技術：
二氧化鈦有三種晶型銳鈦礦相、板鈦礦相和金紅石相，自然界中金紅石分布最廣， 銳鈦礦和板鈦礦則少見，銳鈦礦和板鈦礦為熱力學亞穩(wěn)定相，金紅石為穩(wěn)定相，在高溫下 銳鈦礦和板鈦礦會轉化為金紅石。近年來，染料敏化二氧化鈦納米晶體太陽能電池在應用 上得到了極大的關注，當光源照射到電極外層的染料上時，染料中的電子受到激發(fā)并形成 光電流注入到二氧化鈦中，二氧化鈦為電流和外電路提供連接通道，此時溶液中的氧化還 原劑將被氧化的染料中的正電荷轉移到對電極上去，形成完整的氧化還原循環(huán)，其中二氧 化鈦是光電壓、電子注射量子產率和注射電子收率的主要因素之一。
由于銳鈦礦的光催化活性高于金紅石，所以通常認為銳鈦礦是染料敏化太陽能電池電 極的較好選擇。近來，金紅石在染料敏化太陽能電池中的應用也得到了較高的關注。因為 金紅石對白光的反射較強，在晶相上更穩(wěn)定，而且制備成本低，使用的溫度范圍更大。研 究發(fā)現(xiàn)，高質量的金紅石薄膜層能有效地提高電極的光電轉換效率，而且高長徑比的金紅 石納米棒能較好地阻止電子與空穴點對的湮滅，從而提高電流傳輸密度。因此，低成本并 大規(guī)模地制備規(guī)整排列的金紅石納米棒陣列的方法能為染料敏化太陽能電池在實際中的 應用提供良好的前景。
近年來， 一種新型的溶劑，即離子液體，在無機納米材料的合成中引起了廣泛的關注。
離子液體是完全由正負離子組成的室溫下為液體的鹽，具有低揮發(fā)性、環(huán)境友好、利于回 收等特點，為材料學家發(fā)展新的軟材料或作為模板合成其他功能性材料提供了新的契機。
如Yong Zhou等(Yong Zhou， Markus Antonietti， Synthesis of very small Ti02 nanocrystals in a room temperature ionic liquid and their self-assembly toward mesoporous spherical aggregates, J. Am. Chem. Soc. ， 2003， 125:14960-14961)利 用水溶性離子液體成功制備出了粒徑在30mn^右的銳鈦礦納米顆粒，并發(fā)現(xiàn)該顆粒是由更 小的納米粒子團聚而成，但至今我們還沒有發(fā)現(xiàn)有關離子液體混合溶劑中制備結構有序的 金紅石納米結構的有關報道。
(三)

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對上述存在的問題，提供一種結晶性能好且排列規(guī)整、比表面高、 其棒間分散的空間能有效地填充多種物質的金紅石納米棒陣列膜的制備方法。 本發(fā)明的技術方案-
一種金紅石納米棒陣列膜的制備方法，采用水熱合成工藝在水溶性離子液體中生長制 成，其特征在于制備步驟如下-1) 將可溶性鈦源和濃度為0. 2 0. 6摩爾/升的咪唑鹽型離子液體加入濃度為6摩爾/
升的鹽酸水溶液中制成混合溶液并攪拌均勻，在制成的混合溶液中，最終咪唑鹽離子液體
的濃度為0. 05 0. 5摩爾/升，鈦源濃度為0.2^0.6摩爾/升；
2) 將晶種引入到基片上，方法是將基片蘸取質量濃度為0. 05g/mL的德固賽P25懸浮 溶液，然后在100 20(TC溫度下退火2小時；
3) 將引入晶種的基片浸入上述混合溶液中進行水熱合成反應，反應條件為溫度8(TC 150°C，晶體生長時間12 50小時；
4) 將基片取出后通過水洗至中性，經干燥后即可得到分散排列的金紅石納米棒陣列 的單層薄膜。
所述可溶性鈦源為四氯化鈦、硫酸氧鈦、硫酸鈦、硝酸氧鈦、鈦酸四丁酯和鈦酸異丙 酯中的一種、兩種或兩種以上任意比例的組合。
所述咪唑鹽型離子液體的陽離子為l-丁基-3-甲基咪唑或l-辛基-3-甲基咪唑，陰離 子為氯離子、溴離子或四氟硼酸根離子。
所述基片為普通玻璃、金紅石單晶片、金屬氧化物單晶片、高分子聚合物薄片或耐酸 腐蝕的金屬薄片。
本發(fā)明的優(yōu)點是采用水熱合成工藝在水溶性離子液體中生長制成的金紅石納米棒陣 列膜，方法簡單、成本低，結晶性能好且排列規(guī)整，納米棒長徑比大于5且直徑尺寸分布 均勻，比表面高，其棒間分散的空間能有效地填充多種物質，可廣泛應用于染料敏化太陽 能電池電極、氧氣傳感器等領域。 具體實施例方式
實施例l:以普通玻璃為基片制備金紅石納米棒陣列膜的方法。
1)在濃度為6摩爾/升鹽酸中加入濃度為0. 4摩爾/升的離子液體1-丁基-3-甲基溴化咪 唑和四氯化鈦制成混合溶液并攪拌均勻，在制成的混合溶液中，最終1-丁基-3-甲基溴化 咪唑離子液體的濃度為O. 2摩爾/升，四氯化鈦濃度為0.2摩爾/升；2)將普通玻璃基片蘸 取質量濃度為0.05g/mL的德固賽P25懸浮溶液，然后在100 20(TC溫度下退火2小時；3) 將上述基片浸入混合溶液中，在80'C下反應48小時；4)將該基片取出后通過水洗至中性， 經干燥后即得沉積在玻璃片上的金紅石納米棒陣列薄膜。經電子掃描電鏡和X射線衍射檢 測，該產物晶相為純金紅石相，結構為由納米棒整齊排列而成的陣列，納米棒直徑200 300納米，長度平均l微米。
實施例2:以金紅石單晶片為基片制備金紅石納米棒陣列膜的方法。 1)在濃度為6摩爾/升鹽酸中加入濃度為0.6摩爾/升的離子液體1-丁基-3-甲基氯 化咪唑和硫酸鈦制成混合溶液并攪拌均勻，在制成的混合溶液中，最終l-丁基-3-甲基氯 化咪唑離子液體的濃度為0.4摩爾/升，硫酸鈦濃度為0.4摩爾/升；2)將金紅石單晶基 片蘸取質量濃度為0. 05g/mL的德固賽P25懸浮溶液，然后在100 20(TC溫度下退火2小 時；3)將上述基片浸入混合溶液中，在12(TC下反應12小時；4)將該基片取出后通過水洗至中性，經干燥后即得沉積在玻璃片上的金紅石納米棒陣列薄膜。經電子掃描電鏡和 X射線衍射檢測，該產物晶相為純金紅石相，結構為由納米棒整齊排列而成的陣列，納米 棒直徑300納米，長度平均l微米。
實施例3:以聚四氟乙烯薄片為基片制備金紅石納米棒陣列膜的方法。
1)在濃度為6摩爾/升鹽酸中加入濃度為0. 6摩爾/升的離子液體l-辛基-3-甲基溴 化咪唑和硝酸氧鈦制成混合溶液并攪拌均勻，在制成的混合溶液中，最終l-辛基-3-甲基 溴化咪唑離子液體的濃度為0. 5摩爾/升，硝酸氧鈦濃度為0.2摩爾/升；2)將聚四氟乙 烯基片蘸取質量濃度為0. 05g/mL的德固賽P25懸浮溶液，然后在100 20(TC溫度下退火 2小時；3)將上述基片浸入混合溶液中，在140'C下反應20小時；4)將該基片取出后通 過水洗至中性，經干燥后即得沉積在玻璃片上的金紅石納米棒陣列薄膜。經電子掃描電鏡 和X射線衍射檢測，該產物晶相為純金紅石相，結構為由納米棒整齊排列而成的陣列，納 米棒直徑100 300納米，長度平均1微米。
實施例4:以金屬鉑薄片為基片制備金紅石納米棒陣列膜的方法。 1)在濃度為6摩爾/升鹽酸中加入濃度為0. 4摩爾/升的離子液體1-辛基-3-甲基氯 化咪唑和鈦酸四丁酯制成混合溶液并攪拌均勻，在制成的混合溶液中，最終1-辛基-3-甲 基氯化咪唑離子液體的濃度為0. 1摩爾/升，鈦酸四丁酯濃度為0.6摩爾/升；2)將金屬 鉑基片蘸取質量濃度為0. 05g/mL的德固賽P25懸浮溶液，然后在100 200'C溫度下退火 2小時；3)將上述基片浸入混合溶液中，在150'C下反應12小時；4)將該基片取出后通 過水洗至中性，經干燥后即得沉積在玻璃片上的金紅石納米棒陣列薄膜。經電子掃描電鏡 和X射線衍射檢測，該產物晶相為純金紅石相，結構為由納米棒整齊排列而成的陣列，納 米棒直徑200 300納米，長度平均1微米。
權利要求
1.一種金紅石納米棒陣列膜的制備方法，采用水熱合成工藝在水溶性離子液體中生長制成，其特征在于制備步驟如下1)將可溶性鈦源和濃度為0.2～0.6摩爾/升的咪唑鹽型離子液體加入濃度為6摩爾/升的鹽酸水溶液中制成混合溶液并攪拌均勻，在制成的混合溶液中，最終咪唑鹽離子液體的濃度為0.05～0.5摩爾/升，鈦源濃度為0.2∽0.6摩爾/升；2)將晶種引入到基片上，方法是將基片蘸取質量濃度為0.05g/mL的德固賽P25懸浮溶液，然后在100～200℃溫度下退火2小時；3)將引入晶種的基片浸入上述混合溶液中進行水熱合成反應，反應條件為溫度80℃～150℃，晶體生長時間12～50小時；4)將基片取出后通過水洗至中性，經干燥后即可得到分散排列的金紅石納米棒陣列的單層薄膜。
2. 根據權利要求1所述的金紅石納米棒陣列膜的制備方法，其特征在于所述可溶性 鈦源為四氯化鈦、硫酸氧鈦、硫酸鈦、硝酸氧鈦、鈦酸四丁酯和鈦酸異丙酯中的一種、購' 種或兩種以上任意比例的組合。
3. 根據權利要求1所述的金紅石納米棒陣列膜的制備方法，其特征在于所述咪唑鹽 型離子液體的陽離子為l-丁基-3-甲基咪唑或1-辛基-3-甲基咪唑，陰離子為氯離子、溴 離子或四氟硼酸根離子。
4. 根據權利要求1所述的金紅石納米棒陣列膜的制備方法，其特征在于所述基片為普通玻璃、金紅石單晶片、金屬氧化物單晶片、高分子聚合物薄片或耐酸腐蝕的金屬。
全文摘要
一種金紅石納米棒陣列膜的制備方法，采用水熱合成工藝在水溶性離子液體中生長制成，其制備步驟如下1)將可溶性鈦源溶解在鹽酸水溶液中，加入咪唑鹽型離子液體制成混合溶液；2)將基片引入晶種，方法是將基片蘸取德固賽P25懸浮溶液，然后進行退火處理；3)將引入晶種的基片浸入上述混合溶液中進行水熱合成反應；4)將基片取出后通過水洗至中性，經干燥后即可得到分散排列的金紅石納米棒陣列的單層薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點是方法簡單、成本低，結晶性能好且排列規(guī)整，納米棒長徑比大且直徑尺寸分布均勻，比表面高，其棒間分散的空間能有效地填充多種物質，可廣泛應用于染料敏化太陽能電池電極、氧氣傳感器等領域。
文檔編號C04B41/45GK101293742SQ20081005359
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權日2008年6月20日
發(fā)明者鵬 彭, 鄭文君 申請人:南開大學