專利名稱：一種二氧化鈦納米管與納米棒同軸復(fù)合陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二氧化鈦納米管與納米棒同軸復(fù)合陣列的制備方法，具體屬于納米薄膜制備及染料敏化太陽能電池領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，二氧化鈦一維陣列由于比納米粉體具有更高的表面能和更高的連通性，為電子傳輸提供連續(xù)的通道，比納米粉體在光催化及染料敏化電池(DSSC)等領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。但是目前一維TiO2納米管或者納米棒制備的DSSC效率仍然很低，很大程度上是由于納米管或棒長(zhǎng)度有限，其比表面積嚴(yán)重受到限制。近年來，已有不少報(bào)道采用TiCl4溶液處理納米管陣列以增加比表面積，雖然有明顯的效果，但是其比表面積增加不大，效率提聞的也有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是一種二氧化鈦納米管與納米棒同軸復(fù)合陣列的制備方法，采用陽極氧化與溶劑熱(或水熱)相結(jié)合的方法，在鈦基體上制備TiO2納米管及納米棒同軸復(fù)合結(jié)構(gòu)的一維陣列，納米棒同軸生長(zhǎng)在納米管中，很大程度上增加了薄膜的比表面積，并且保持了原來的納米管結(jié)構(gòu)，為電子傳輸提供連續(xù)通道，理論上可大幅度提高由其作為光陽極組裝的DSSC的光電性能。本發(fā)明提供的一種二氧化鈦納米管與納米棒同軸復(fù)合陣列的制備方法，其特征在于，包含以下步驟:(1)鈦片預(yù)處理:首先將鈦基體表面附著的雜質(zhì)和氧化皮去除，如分別采用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗lOmin，烘干備用；(2)鈦片進(jìn)行陽極氧化:所采用的電解質(zhì)溶液為含氟離子的乙二醇溶液，氧化電壓30V，氧化時(shí)間2h，氧化后將樣品取出用去離子水沖洗，烘干；(3)熱處理:將氧化后的鈦片在400-600°C進(jìn)行熱處理，保溫2h，然后隨爐冷卻至室溫。(4)溶劑熱或水熱處理:將經(jīng)熱處理的鈦片放入含有尿素和TiCl3的乙醇和/或水溶液中，其中尿素的濃度為60-200g/L，TiCl3的含量為200-500mL/L，并一起置于高壓釜中，經(jīng)過兩步保溫處理，第一步在90-130°C保溫40-70min，第二步升溫至160_23(TC保溫60-160min,冷卻后取出用去尚子水沖洗，烘干。(5)熱處理:經(jīng)溶劑熱或水熱處理后的樣品在300-600°C進(jìn)行熱處理，保溫2h，然
后隨爐冷卻至室溫，制備完成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:采用陽極氧化與溶劑熱(或水熱)處理相結(jié)合，在鈦基片上制備一維二氧化鈦納米管及納米棒復(fù)合陣列結(jié)構(gòu)，與常規(guī)的二氧化鈦納米管陣列薄膜相比，比表面積得到大大的增加，最大提高71%，應(yīng)用于染料敏化電池中，比表面積的提高利于吸附更多的染料，其光電轉(zhuǎn)換效率比常規(guī)二氧化鈦納米管陣列的光電轉(zhuǎn)換效率提聞了 68%。


圖1:二氧化鈦納米管溶劑熱處理前的表面(a)及截面圖(b) ;二氧化鈦納米管與納米棒同軸復(fù)合陣列的表面(C)及截面圖(d) Ce)；圖2:二氧化鈦納米管與納米棒同軸復(fù)合陣列與一維二氧化鈦納米管陣列作為光陽極制備的染料敏化電池的1-V曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其目的在于更好地理解本發(fā)明的內(nèi)容，而不是對(duì)本發(fā)明的限 制。實(shí)施例1:將金屬鈦片進(jìn)行前期處理，在含氟離子的電解液中30V陽極氧化2h，取出用去離子水沖洗，烘干；在300°C熱處理，保溫2h ;將鈦片放入含量為200ml/L的TiCl3與60g/L的尿素的乙醇溶液中，將此樣放入高壓釜中，經(jīng)過兩步保溫處理。第一步在90°C保溫40min，然后升溫到210°C保溫60min，冷卻后取出樣品，用去離子水沖洗干凈，烘干，進(jìn)行熱處理，熱處理工藝與納米管熱處理工藝相同。冷卻至室溫，樣品制備完成。實(shí)施例2:將金屬鈦片進(jìn)行前期處理，在含氟離子的電解液中30V陽極氧化2h，取出用去離子水沖洗，烘干；在450°C熱處理，保溫2h ;將鈦片放入含量為250ml/L的TiCl3與100g/L的尿素的乙醇溶液中，將此放入高壓釜中，經(jīng)過兩步保溫處理，第一步在100°C保溫60min，然后升溫到190°C保溫120min，冷卻后取出樣品，用去離子水沖洗干凈，烘干，進(jìn)行熱處理，熱處理工藝與納米管熱處理工藝相同。冷卻至室溫，樣品制備完成。實(shí)施例3:將金屬鈦片進(jìn)行前期處理，在含氟離子的電解液中30V陽極氧化2h，取出用去離子水沖洗，烘干；在500°C熱處理，保溫2h ;將鈦片放入含量為500ml/L的TiCl3與200g/L的尿素的乙醇溶液中，將此放入高壓釜中，經(jīng)過兩步保溫處理，第一步在130°C保溫70min，然后升溫到230°C保溫130min，冷卻后取出樣品，用去離子水沖洗干凈，烘干，進(jìn)行熱處理，熱處理工藝與納米管熱處理工藝相同。冷卻至室溫，樣品制備完成。實(shí)施例4:將金屬鈦片進(jìn)行前期處理，在含氟離子的電解液中30V陽極氧化2h，取出用去離子水沖洗，烘干；在400°C熱處理，保溫2h ;將鈦片放入含量為400ml/L的TiCl3與200g/L的尿素的乙醇溶液中，將此放入高壓釜中，經(jīng)過兩步保溫處理，第一步在110°C保溫40min，然后升溫到160°C保溫160min，冷卻后取出樣品，用去離子水沖洗干凈，烘干，進(jìn)行熱處理，熱處理工藝與納米管熱處理工藝相同。冷卻至室溫，樣品制備完成。實(shí)施例5:將金屬鈦片進(jìn)行前期處理，在含氟離子的電解液中30V陽極氧化2h，取出用去離子水沖洗，烘干；在600°C熱處理，保溫2h ;將鈦片放入含量為380ml/L的TiCl3與100g/L的尿素的水溶液中，將此放入高壓釜中，經(jīng)過兩步保溫處理。第一步在130°C保溫70min，然后升溫到200°C保溫150min，冷卻后取出樣品，用去離子水沖洗干凈，烘干，進(jìn)行熱處理，熱處理工藝與納米管熱處理工藝相同。冷卻至室溫，樣品制備完成。上述實(shí)施例所得二氧化鈦納米管溶劑熱處理前的表面(a)及截面圖(b);二氧化鈦納米管與納米棒同軸復(fù)合陣列的表面(C)及截面圖(d) (e);從圖中可以明確看到在二氧化鈦納米管內(nèi)同軸生長(zhǎng)了納米棒。上述實(shí)施例的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表I，所得產(chǎn)品的比表面積及1-V測(cè)試結(jié)果見圖2及表2。表1.實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

權(quán)利要求
1.一種二氧化鈦納米管與納米棒同軸復(fù)合陣列的制備方法，其特征在于，包含以下步驟: (1)鈦片預(yù)處理:首先將鈦基體表面附著的雜質(zhì)和氧化皮去除； (2)鈦片進(jìn)行陽極氧化:所采用的電解質(zhì)溶液為含氟離子的乙二醇溶液，氧化電壓30V，氧化時(shí)間2h，氧化后將樣品取出用去離子水沖洗，烘干； (3)熱處理:將氧化后的鈦片在400-600°C進(jìn)行熱處理，保溫2h，然后隨爐冷卻至室溫； (4)溶劑熱或水熱處理:將經(jīng)熱處理的鈦片放入含有尿素和TiCl3的乙醇和/或水溶液中，其中尿素的濃度為60-200g/L，TiCl3的含量為200-500mL/L，并一起置于高壓釜中，經(jīng)過兩步保溫處理，第一步在90-130°C保溫40-70min，第二步升溫至160_23(TC保溫60_160min,冷卻后取出用去尚子水沖洗,烘干； (5)熱處理:經(jīng)溶劑熱或水熱處理后的樣品在300-600°C進(jìn)行熱處理，保溫2h，然后隨爐冷卻至室溫， 制備完成。
全文摘要
一種二氧化鈦納米管與納米棒同軸復(fù)合陣列的制備方法，具體屬于納米薄膜制備及染料敏化太陽能電池領(lǐng)域。首先采用陽極氧化的方法在鈦基片上制備高度有序的TiO2納米管陣列，經(jīng)300-600℃熱處理后在(TiCl3)和尿素的溶液中進(jìn)行水熱(或溶劑熱)處理，再經(jīng)400-600℃熱處理獲得一維納米管納米棒復(fù)合薄膜。所制備的復(fù)合薄膜比表面積得到大幅度提高，最大提高71%，將其用于染料敏化電池，其光電轉(zhuǎn)換效率比水熱處理前的TiO2納米管陣列薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率高出68%。
文檔編號(hào)C25D11/26GK103103596SQ201310012759
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者李洪義, 王金淑, 王鴻 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)