專(zhuān)利名稱(chēng)：一種二氧化鈦納米晶電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，特別涉及一種用于染料敏化太陽(yáng)能電池的二氧化鈦納米晶電極的制備方法。
背景技術(shù)：
二氧化鈦是一種應(yīng)用非常廣泛的材料，俗稱(chēng)鈦白或鈦白粉，主要用途有用作顏料， 光催化劑等。而近年來(lái)，隨著納米材料的廣泛研究，納米晶二氧化鈦受到越來(lái)越多的關(guān)注。 納米二氧化鈦?zhàn)鳛殡姌O材料主要應(yīng)用在染料敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。形貌對(duì)于性能有著重要的影響，迄今為止，已經(jīng)研究出了不同尺度二氧化鈦的納米線(xiàn)，納米棒，納米管，顆粒以及由這些基本形貌組合而成的三維復(fù)合結(jié)構(gòu)，合成方法主要有溶膠凝膠法，水熱法，化學(xué)氣象沉積法(參見(jiàn) Chemical Reviews 雜志，107 卷，7 期，2891-2959 頁(yè)(2007 年 6 月 23 日))。而這些方法都需要高溫或者長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)，造成能源利用率不高，生產(chǎn)效率偏低。例如，水熱法大多需要反應(yīng)10小時(shí)以上甚至更長(zhǎng)，而用化學(xué)氣相沉積則多需要溫度達(dá)到700°C以上。相比而言，微波法反應(yīng)時(shí)間一般不超過(guò)一個(gè)小時(shí)，溫度不超過(guò)200°C，具有速度快，效率高，利于推廣的優(yōu)點(diǎn)，并且其不同于常規(guī)的加熱方式能夠使產(chǎn)物得到新的形貌，具有很高的研究?jī)r(jià)值。染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池具有引人矚目的高能量轉(zhuǎn)換效率以及低成本特征， 近年來(lái)得到飛速發(fā)展報(bào)道能獲得10. 4 %的光電轉(zhuǎn)換效率(參見(jiàn)Nature雜志，353卷，第 737-738頁(yè)(1991年10月24日))。用于吸附染料傳導(dǎo)電子的二氧化鈦光電陽(yáng)極作為器件的主要部件，采用電子傳輸率高，比表面積大的材料能夠提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。采用的電極基底多是鍍有導(dǎo)電薄膜的FTO和ITO玻璃，雖然一定程度上提高了光的利用率，但同時(shí)由于體積質(zhì)量較大，無(wú)柔韌性，因而降低了電池的便攜性和實(shí)用性。采用導(dǎo)電性好并且具有柔性的基底作為電極是提高染料敏化太陽(yáng)能電池實(shí)用性的關(guān)鍵所在。但常規(guī)的有機(jī)聚合物柔性基底大多不耐高溫，不穩(wěn)定，導(dǎo)電性差，成本較高。常規(guī)光電陽(yáng)極制備工藝中應(yīng)用多是二氧化鈦顆粒，電子傳輸效率并不高，與基地接觸性不好，而在基底上直接生長(zhǎng)單晶的電子傳輸率高的二氧化鈦，報(bào)道的主要是水熱法在FTO玻璃上能生長(zhǎng)出結(jié)合比較緊密均勻的二氧化鈦納米棒陣列，而其他基底均存在結(jié)合不牢固，易剝落，結(jié)構(gòu)不均一，無(wú)序生長(zhǎng)的缺點(diǎn)，同時(shí)這種電極對(duì)染料的吸附較差，減弱了對(duì)可見(jiàn)光的相應(yīng)，使得制備的太陽(yáng)能電池效率較低(參見(jiàn)Applied Physics Letters雜志，96 卷，26期，文獻(xiàn)編號(hào)263104 (2010年6月28日))
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種以碳布為基底在表面生長(zhǎng)二氧化鈦納米棒陣列的制備柔性電極的方法，該方法采用微波法制備出均勻生長(zhǎng)在碳布表面的二氧化鈦納米棒陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)，有效解決了常規(guī)光電陽(yáng)極制備工藝中二氧化鈦顆粒與基底結(jié)合不牢固，無(wú)序生長(zhǎng)的問(wèn)題。
本發(fā)明提供了一種二氧化鈦納米晶電極的制備方法，包括以下步驟(1)將碳布放入由鈦酸丁酯、鹽酸和水的混合溶液中，其中鈦酸丁酯的體積百分比為4% 5%，鹽酸的體積百分比為41% 52%，其余為水；(2)將含有碳布的混合溶液在170°C 200°C下，采用微波加熱40分鐘 1小時(shí)， 得到在表面附著二氧化鈦薄膜的碳布，即二氧化鈦納米晶電極。進(jìn)一步的，在步驟(1)之前還包括清洗步驟，即將碳布分別依次采用丙酮、水和乙醇各超聲處理30 60分鐘。本發(fā)明具有如下有益效果1、針對(duì)目前染料敏化太陽(yáng)能電池光電陽(yáng)極基底常用的硬質(zhì)FTO或ITO玻璃存在的體積大，便攜性差，以及常規(guī)柔性的有機(jī)聚合物基底存在著不耐高溫，不穩(wěn)定，導(dǎo)電性差，成本較高的缺點(diǎn)，本發(fā)明采用柔軟并且導(dǎo)電性好的碳布作為基底，在表面生長(zhǎng)二氧化鈦?zhàn)鳛槿玖厦艋?yáng)能電池的電極，有利于制作便攜式柔性太陽(yáng)能電池，同時(shí)由碳纖維編制的碳布具有多孔結(jié)構(gòu)，便于幫助吸附染料，結(jié)構(gòu)具有一定新穎性并具有很高的實(shí)用價(jià)值。2、針對(duì)目前染料敏化太陽(yáng)能電池二氧化鈦電極制備工藝方面，常用漿料涂抹高溫?zé)Y(jié)，或直接生長(zhǎng)二氧化鈦納米棒陣列僅能均勻生長(zhǎng)在少數(shù)基底上，如FT0，鈦片，并且反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，能耗高，時(shí)間長(zhǎng)。本發(fā)明采用洗凈的碳布，鈦酸丁酯和鹽酸用微波加熱的方式反應(yīng)首次將二氧化鈦納米棒陣列均勻牢固的生長(zhǎng)在了碳布表面，一次性合成，方法簡(jiǎn)單，反應(yīng)原料成本低廉，高效快速，利于推廣。3、采用本發(fā)明所述的方法制備的生長(zhǎng)在碳布表面的單晶一維二氧化鈦納米棒陣列具有比顆粒高的電子傳輸速率和比表面積，由于碳布的多孔結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電性，增加了對(duì)染料的吸附性，本發(fā)明在染料敏化太陽(yáng)能電池中作為光電陽(yáng)極具有較大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)本發(fā)明采用微波法在較低溫度下快速合成材料，方法簡(jiǎn)單有效，有利于本發(fā)明柔性電極的制備方法的推廣。4、采用本發(fā)明所述的方法采用清洗步驟對(duì)碳布進(jìn)行清洗，有利于二氧化鈦在碳布表面均勻生長(zhǎng)。


圖1實(shí)施例2中所制備的電極放大2000倍的掃描電子顯微鏡照片；圖2實(shí)施例2中所制備的電極放大4000倍的掃描電子顯微鏡圖譜。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明實(shí)施例1直接用鈦酸丁酯、鹽酸和水配置混合溶液，其中鈦酸丁酯的體積百分比為4. 8%， 鹽酸的體積百分比為48%，其余為水。將上述混合溶液放入微波消解罐中，再加入碳布，將消解罐放入微波化學(xué)工作站中，設(shè)定溫度180°C微波加熱反應(yīng)50分鐘，得到二氧化鈦納米晶電極，從其掃描電子顯微鏡圖譜中可以看出在碳纖維表面均勻的生長(zhǎng)了一層整齊的二氧化鈦納米棒陣列，但有少量的碳纖維沒(méi)有被二氧化鈦納米棒完全包覆。實(shí)施例2
將碳布進(jìn)行清洗，即分別依次采用丙酮，水，酒精，各超聲30分鐘，得到洗凈的碳布。由鈦酸丁酯、鹽酸和水配置混合溶液，其中鈦酸丁酯的體積百分比為4. 8%，鹽酸的體積百分比為48%，其余為水，將上述混合溶液放入微波消解罐中，再加入處理好的碳布，將消解罐放入微波化學(xué)工作站中，設(shè)定溫度180°C微波加熱反應(yīng)50分鐘，得到在表面有一層牢固附著的二氧化鈦薄膜的碳布，即二氧化鈦納米晶電極。該方法在清洗步驟中采用的丙酮用于碳布上有機(jī)物雜質(zhì)的清洗，水用于洗去灰塵，酒精用于最后清洗處理，并能夠快速干燥，可以得到洗凈的碳布，有利于二氧化鈦在碳布表面均勻生長(zhǎng)。制備的二氧化鈦納米晶電極可以通過(guò)改變碳布在反應(yīng)罐中放置的位置來(lái)控制二氧化鈦在碳布上的分布，浸在溶液中的部分在碳布表面生長(zhǎng)出一層均勻白色絨毛狀的二氧化鈦，在溶液之上的部分為黑色的未生長(zhǎng)二氧化鈦的碳布，具有很好的導(dǎo)電性。并且此制備的納米晶電極具有很好的柔韌性，可以大角度彎折。圖1為放大2000倍的掃描電子顯微鏡照片，可以看出二氧化鈦陣列整齊均勻排布在碳纖維表面。圖2為放大4000倍的掃描電子顯微鏡圖譜，其中1為碳纖維，2為生長(zhǎng)在碳纖維表面的二氧化鈦納米棒陣列。從此掃描電子顯微鏡圖譜中可以看出在IOum左右的碳纖維表面均勻的生長(zhǎng)了一層整齊的二氧化鈦納米棒陣列，直徑50nm 200nm，長(zhǎng)度3um 4um。實(shí)施例3將碳布進(jìn)行清洗，即分別采用丙酮，水，酒精，各超聲60分鐘，得到洗凈的碳布。由鈦酸丁酯、鹽酸和水配置混合溶液，其中鈦酸丁酯的體積百分比為4. 5%，鹽酸的體積百分比為41 %，其余為水，將上述混合溶液放入微波消解罐中，再放入處理好的碳布，將消解罐放入微波化學(xué)工作站，設(shè)定溫度170°C微波加熱1小時(shí)，既得到一層牢固附著在碳布表面的二氧化鈦納米棒陣列，從掃面式電子顯微鏡照片可以看出，此電極與實(shí)施例2中相比，二氧化鈦納米棒稍細(xì)一些，仍在表面垂直排列，無(wú)顯著差別。實(shí)施例4同實(shí)施例2方法清洗碳布，由鈦酸丁酯、鹽酸和水配置混合溶液，其中鈦酸丁酯的體積百分比為5%，鹽酸的體積百分比為45%，其余為水，將上述混合溶液放入微波消解罐中，再放入處理好的碳布，將消解罐放入微波化學(xué)工作站，設(shè)定溫度180°C微波加熱1小時(shí)， 也得到與實(shí)施例3、4相同的納米棒電極，從掃描式電子顯微鏡照片可以看出電極表面二氧化鈦納米棒長(zhǎng)度稍短，直徑也為50nm 200nm，單根納米棒稍有傾斜，與實(shí)施例3、4的結(jié)果無(wú)顯著差別。實(shí)施例5同實(shí)施例2方法清洗碳布，由鈦酸丁酯、鹽酸和水配置混合溶液，其中鈦酸丁酯的體積百分比為4. 3%，鹽酸的體積百分比為52%，其余為水，將上述混合溶液放入微波消解罐中，再加入處理好的碳布，將消解罐放入微波化學(xué)工作站，設(shè)定溫度200°C微波加熱40分鐘，也得到納米棒電極，從掃描式電子顯微鏡照片可以看出與實(shí)施例2、3、4相比電極表面二氧化鈦納米棒長(zhǎng)度稍短約Ium左右，直徑變粗，約50nm 400nm，二氧化鈦納米棒在表面整齊排列，生長(zhǎng)均勻。實(shí)施例6同實(shí)施例2方法清洗碳布，由鈦酸丁酯、鹽酸和水配置混合溶液，其中鈦酸丁酯的體積百分比為4%，鹽酸的體積百分比為48%，其余為水，將上述混合溶液放入微波消解罐中，再放入處理好的碳布，將消解罐放入微波化學(xué)工作站，設(shè)定溫度180°C微波加熱1小時(shí)，也得到二氧化鈦納米晶電極，從掃描式電子顯微鏡照片可以看出與實(shí)施例2最為相似， 在IOum左右的碳纖維表面均勻的生長(zhǎng)了一層整齊的二氧化鈦納米棒陣列，直徑50nm 200nm,長(zhǎng)度 3um 4um。
本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種二氧化鈦納米晶電極的制備方法，包括以下步驟(1)將碳布放入由鈦酸丁酯、鹽酸和水的混合溶液中，其中鈦酸丁酯的體積百分比為 4% 5%，鹽酸的體積百分比為41% 52%，其余為水；(2)將含有碳布的混合溶液在170°C 200°C下，采用微波加熱40分鐘小時(shí)，得到在表面附著二氧化鈦薄膜的碳布，即二氧化鈦納米晶電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦納米晶電極的制備方法，其特征在于，在步驟(1) 之前還包括清洗步驟，即將碳布分別依次采用丙酮、水和乙醇各超聲處理30飛0分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種以碳布為基底在表面生長(zhǎng)二氧化鈦納米棒陣列的制備柔性電極的方法，該方法包括以下步驟(1)將碳布放入由鈦酸丁酯、鹽酸和水的混合溶液中，其中鈦酸丁酯的體積百分比為4%~5%，鹽酸的體積百分比為41%~52%，其余為水；(2)將含有碳布的混合溶液在170℃~200℃下，采用微波加熱40分鐘~1小時(shí)，得到二氧化鈦納米晶電極。在步驟(1)之前還包括清洗步驟，即將碳布采用丙酮、水和乙醇各超聲處理30~60分鐘。該方法有效解決了常規(guī)光電陽(yáng)極制備工藝中二氧化鈦顆粒與基底結(jié)合不牢固，無(wú)序生長(zhǎng)的問(wèn)題，首次將二氧化鈦納米棒陣列均勻牢固的生長(zhǎng)在了碳布表面，一次性合成，方法簡(jiǎn)單，反應(yīng)原料成本低廉，高效快速，利于推廣。
文檔編號(hào)H01M14/00GK102222573SQ20111007352
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者沈國(guó)震, 王卓然, 陳娣 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)